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      金刚石刀具性能及其应用研究

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      摘要:描述了金刚石的物理特性,对金刚石刀具的分类及其性能行了介绍,包括天然金刚石、聚晶金刚石、聚晶金刚石复合片、化学气相沉积金刚石涂层刀具。分析和对比了不同类型金刚石刀具的应用场合,为企业在加工难加工材料时选用超硬金刚石材料刀具时提供参考。


      1 引言

      金刚石是精密和超精密加工的超硬刀具材料之一,金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数,以及与非铁金属亲和力小等优点。可以用于非金属硬脆材料如石墨、高耐磨材料、复合材料、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料的精密加工。金刚石刀具类型繁多,性能差异显著,不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。


      2 金刚石材料特性

      金刚石为单—碳原子的结晶体,其晶体结构属等轴面心立方晶系(晶系原子密度最高)。金刚石中碳原子间连接键为sp3杂化共价键,具有很强的结合力、稳定性和方向性。人工合成金刚石性能取决于sp3杂化共价键与非晶无定形碳sp2杂化共价键相对比率。如果sp3含量过低得到二者混合物体为类金刚石(Diamond-Like Carbon,简称DLC)。独特的晶体结构使金刚石具有最高的硬度、刚性、导热系数以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性等均高于硬质合金。如表1所示,可见单晶金刚石硬度最高,热导率最大,热膨胀系数最小,故其综合物理性能最佳。

      表1 金刚石与硬质合金的特性


      3 金刚石刀具类型及其性能


      目前,工业用金刚石刀具根据成分和结构不同可分为五种:

      1,天然金刚石Natural Diamond(ND);

      2,人造聚晶金刚石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD);

      3,人造聚晶金刚石复合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC);化学气相沉积涂层金刚石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。

      4,沉积厚度达100μm的无衬底纯金刚石厚膜Thick Diamond Film(CD);

      5,在刀具基体表面直接上沉积厚度小于30μm的金刚石薄膜涂层Coated Thin Diamond Film(CD)。

      根据CVD金刚石涂层刀具中金刚石微粒尺寸分为:微晶金刚石涂层Microcrystalline Diamond(MCD)和纳米金刚石Nano Crystalline Diamond(NCD)两种。如图1所示,为微晶金刚石表面形貌。传统的金刚石涂层是由平面形晶体组成,其尺寸为1.5μm。纳米晶体的金刚石涂层晶体结构为特殊结构,晶体尺寸仅为(0.01~0.2)nm。由于金刚石刀具类型繁多,刀具结构和性能差异明显,适合的不同的场合。



      图1 微晶金刚石涂层MCD表面形貌

      3.1天然金刚石(ND)刀具

      如图2所示,为天然金刚石拉蔓峰谱,具有以下特征:(1)1332尖锋处显示存在金刚石。(2)波型幅度(FWHM)为4.1cm-1显示为纯金刚石。

      ND是目前已知矿物中最硬的物质,主要用于制备刀具车刀。天然金刚石刀具精细研磨后刃口半径可达0.01~0.002μm。其中天然单晶金刚石(Single Crystalline Diamond,SCD)刀具切削刃部位经高倍放大1500倍仍然观察到刀刃。

      图2天然金刚石拉蔓峰谱


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