簡述金剛石刀具的制造方法及應用

隨著汽車、航空和(he)航天技(ji)術的(de)(de)(de)飛速(su)發展(zhan)， 對材料性能及加(jia)工技(ji)術的(de)(de)(de)要求日益提高(gao)(gao)。新型材料如(ru)碳纖維增(zeng)強塑料、顆粒(li)增(zeng)強金屬基復合材料(PRMMC) 及陶(tao)瓷材料得到(dao)廣泛應(ying)用。這(zhe)些素(su)材具標準高(gao)(gao)、高(gao)(gao)耐磨(mo)損好、熱(re)(re)熱(re)(re)脹比率小等性能特點(dian)， 這(zhe)確定(ding)了對其完成機手(shou)工加(jia)工時彈簧的(de)(de)(de)質保期十(shi)分(fen)短。開(kai)(kai)拓(tuo)新技(ji)術耐腐且固定(ding)的(de)(de)(de)超硬鉆(zhan)削彈簧是有(you)很多校(xiao)園(yuan)、研(yan)究(jiu)(jiu)探討(tao)院(yuan)所和(he)工廠研(yan)究(jiu)(jiu)探討(tao)的(de)(de)(de)課題研(yan)究(jiu)(jiu)方(fang)案。金剛(gang)石(shi)(shi)集熱(re)(re)學(xue)、光電、熱(re)(re)學(xue)、聲(sheng)學(xue)設計、光電等很多高(gao)(gao)品質耐磨(mo)性于一(yi)生，具備(bei)有(you)挺高(gao)(gao)的(de)(de)(de)硬性，滑動摩擦系數小， 導熱(re)(re)性高(gao)(gao)朝，熱(re)(re)開(kai)(kai)裂公式和(he)物理化學(xue)惰(duo)性低， 是創(chuang)造彈簧的(de)(de)(de)完美原料。今天對近(jin)些余載金剛(gang)石(shi)(shi)彈簧創(chuang)造方(fang)式方(fang)法的(de)(de)(de)快速(su)發展(zhan)作(zuo)一(yi)律述。

1.金剛石刀具的應用范圍

(1)難加工有色金屬材料的加工

加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時，材料易粘附刀具，加工困難。利用金剛石摩擦系數低、與有色金屬親和力小的特點，金剛石刀具可有效防止金屬與刀具發生粘結。此外，由于金剛石彈性模量大， 切削時刃部變形小， 對所切削的有色金屬擠壓變形小， 可使切削過程在小變形下完成，從而可以提高加工表面質量。

(2)難加工非金屬材料的加工

加工含有大量高硬度質點的難加工非金屬材料， 如玻璃纖維增強塑料、填硅材料、硬質碳纖維/環氧樹脂復合材料時，材料的硬質點使刀具磨損嚴重，用硬質合金刀具難以加工，而金剛石刀具硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。

(3)超精密加工

隨著現代(dai)集(ji)成技術的(de)問世， 機加工向高精度方向發展， 對刀具(ju)性能(neng)提出了相當高的(de)要求。因金剛石靜摩擦常數(shu)小(xiao)(xiao)(xiao)、熱變形(xing)常數(shu)低、熱傳導(dao)率高，能(neng)割(ge)下極薄的(de)切(qie)屑(xie)(xie)，切(qie)屑(xie)(xie)可能(neng)流黑，與多種材(cai)質的(de)責任心小(xiao)(xiao)(xiao)，更易行成積屑(xie)(xie)瘤， 發燒(shao)量(liang)小(xiao)(xiao)(xiao)，傳熱率高，就可不可以以防糖(tang)份(fen)對刃口(kou)和零部件的(de)影(ying)響(xiang)力(li)，往(wang)往(wang)刃口(kou)很難鈍化，車削變化小(xiao)(xiao)(xiao)，就可不可以得到較優線(xian)質量(liang)的(de)外表。

2.金剛石刀具的制造方法

目前金剛石的主要加工方法有以下四種： 薄膜涂層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結體刀具和單晶金剛石刀具。

2.1 薄膜涂層刀具

薄膜(mo)涂層(ceng)刀(dao)(dao)具是在(zai)剛(gang)性及高溫特性好的(de)(de)集體(ti)材料(liao)上通過化學氣相(xiang)沉(chen)積(ji)法(fa)(fa)(CVD) 沉(chen)積(ji)金(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石薄膜(mo)制成的(de)(de)刀(dao)(dao)具。會因(yin)(yin)為(wei)Si3N4 系(xi)陶(tao)瓷制品、WC-Co 系(xi)孔狀碳(tan)素鋼及及合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)材料(liao)W 的(de)(de)熱開裂系(xi)與(yu)金(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石比(bi)較接近于， 制膜(mo)時行成的(de)(de)熱應(ying)力應(ying)變(bian)小， 因(yin)(yin)而(er)能(neng)以為(wei)刀(dao)(dao)體(ti)的(de)(de)基體(ti)涂料(liao)。WC-Co 系(xi)聚酯板(ban)鋁合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)中(zhong)， 黏接相(xiang)Co 的(de)(de)留存(cun)易使(shi)金(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石塑料(liao)薄膜(mo)與(yu)基體(ti)之(zhi)中(zhong)行成石墨而(er)縮減懸(xuan)挑腳(jiao)手架強度，在(zai)沉(chen)淀積(ji)累前需采取(qu)預外理以消去(qu)Co 的(de)(de)決定( 普遍(bian)依據酸(suan)蝕化去(qu)Co)。有機(ji)化學氣相(xiang)色譜積(ji)聚法(fa)(fa)是按照需的(de)(de)最(zui)簡單的(de)(de)方法(fa)(fa)把包含有C 源的(de)(de)氣態刺激，在(zai)非常低的(de)(de)氣態壓強下，使(shi)碳(tan)原子核(he)在(zai)一定的(de)(de)區城(cheng)沉(chen)淀出(chu)來， 碳(tan)原子核(he)在(zai)聚集、巖漿(jiang)巖環節中(zhong)造成金(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石相(xiang)。現下用以巖漿(jiang)巖金(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石的(de)(de)CVD 法(fa)(fa)最(zui)主要(yao)的(de)(de)以及：微波通信、熱燈(deng)絲、直(zhi)流電(dian)源電(dian)弧放(fang)電(dian)噴涌法(fa)(fa)等(deng)。

金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)薄(bo)膜的(de)優(you)點是可應用(yong)于(yu)各種幾何形狀復雜的(de)刀(dao)具，如帶有切屑(xie)的(de)刀(dao)片、端(duan)銑刀(dao)、鉸刀(dao)及(ji)鉆頭;可以用(yong)來切削許多(duo)非(fei)金(jin)屬材料(liao)，切削時(shi)切削力(li)小(xiao)、變(bian)形小(xiao)、工(gong)作平穩、磨損慢、工(gong)件(jian)不易變(bian)形， 適(shi)用(yong)于(yu)工(gong)件(jian)材質好、公(gong)差小(xiao)的(de)精(jing)加工(gong)。主要缺(que)點是金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)薄(bo)膜與基體的(de)粘接力(li)稍差，金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)薄(bo)膜和珍珠棉數(shu)控刀(dao)具上的(de)不有重磨性。

2.2 金剛石厚膜焊接刀具

金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)焊接刀具(ju)的(de)(de)(de)制作過程一般(ban)包括：大面(mian)積的(de)(de)(de)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)制備(bei);將(jiang)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)切成彈(dan)簧須要(yao)的(de)(de)(de)款式(shi)大小;金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)與(yu)刀柄基體資料的(de)(de)(de)手工(gong)焊接;金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)數控(kong)刀片切銷刃(ren)的(de)(de)(de)研磨設備(bei)與(yu)打磨。(1)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)提(ti)純與(yu)切割(ge)工(gong)作經常用的(de)(de)(de)提(ti)純金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)方(fang)式(shi)是(shi)交(jiao)流電(dian)等(deng)鐵離子體射流CVD 法(fa)。將(jiang)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)累積到(dao)WC-Co 鎳鋼(從表面(mian)做(zuo)好(hao)霧面(mian)加工(gong)廠(chang))上， 在基體的(de)(de)(de)保(bao)壓期間中， 金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)重新松(song)動。此(ci)形(xing)式(shi)形(xing)成線更快(最(zui)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)人可以(yi)達(da)到(dao)930μ m/h)，晶格相互融(rong)合相比緊(jin)緊(jin)， 雖然生(sheng)長接觸面(mian)很變厚。金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)強度高(gao)(gao)、耐腐蝕、不導電(dian)選擇了(le)它的(de)(de)(de)打磨做(zuo)法(fa)是(shi)激(ji)(ji)光束打磨(激(ji)(ji)光切割(ge)可在水汽、o2和氬(ya)氣的(de)(de)(de)壞境中對其進行)。應用脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光分割(ge)不僅僅能(neng)將(jiang)金(jin)(jin)(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)分割(ge)成的(de)(de)(de)需(xu)求要(yao)的(de)(de)(de)形(xing)狀圖片和尺寸(cun)圖，還行切出(chu)數控(kong)刀的(de)(de)(de)后角，享有切縫窄(zhai)、極有效率(lv)等(deng)優點有哪(na)些(xie)。

(1)金剛石厚膜刀具的焊接

金(jin)剛石(shi)(shi)與一(yi)般(ban)的(de)(de)金(jin)屬及其合(he)金(jin)之間具(ju)有很高(gao)的(de)(de)界(jie)面能(neng)， 致使金(jin)剛石(shi)(shi)不(bu)能(neng)被(bei)一(yi)般(ban)的(de)(de)低熔點合(he)金(jin)所浸(jin)潤， 可(ke)焊(han)性極差。目(mu)前主(zhu)要通(tong)過在銅銀合(he)金(jin)焊(han)料中添加強碳化物形成元素或通(tong)過對金(jin)剛石(shi)(shi)面上(shang)來五(wu)金(jin)化正確(que)處(chu)理來改善金(jin)剛石(shi)(shi)與五(wu)金(jin)直接的(de)(de)可(ke)焊(han)性。

①活性釬料法

焊(han)料(liao)一(yi)般(ban)用(yong)含Ti 的銅銀合金(jin)，不加助熔劑在惰性(xing)氣(qi)體或真空中(zhong)焊(han)接(jie)。常用(yong)的釬料(liao)成分Ag=68.8wt% ， Cu=26.7wt% ， Ti=4.5wt% ，可(ke)用(yong)的制法(fa)技巧是弧光熔鑄法(fa)和(he)粉末狀原材料(liao)有(you)色(se)金(jin)屬法(fa)。Ti有(you)所作為親水(shui)性(xing)稀有(you)元素在補(bu)焊(han)進程中(zhong)與C 影(ying)響(xiang)生(sheng)產TiC ，可(ke)增(zeng)強(qiang)金(jin)剛石與焊(han)料(liao)的潤(run)濕(shi)性(xing)和(he)粘(zhan)結力(li)(li)強(qiang)度(du)。高溫溫暖一(yi)般(ban)的為850℃，保溫10 一(yi)分鐘(zhong)，緩冷(leng)以縮小內彎曲應力(li)(li)。

②表面金屬化后焊接

金剛石表面的金屬化是通過表面處理技術在金剛石表面鍍覆金屬， 使其表面具有金屬或類金屬的性能。一般是在金剛石的表面鍍Ti， Ti 與C 反應生成TiC ， TiC 與Ag-Cu 合金釬料有較好的潤濕性和結合強度。目前常用的鍍鈦方法有：真空物理氣相沉積(PVD ，主要包括真空蒸發鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍等)，化學氣相鍍和粉末覆蓋燒結。PVD 法單次鍍覆量低， 鍍覆過程中金剛石的溫度低于500℃，鍍層與金剛石之間是物理附著、無化學冶金。

CVD 法Ti 與金剛石發生化學反應形成強力冶金結合，反應溫度高，損害金剛石。

(2)厚膜金剛石刀具的刃磨

金剛石厚膜刀具的加工方法有： 機械磨削，熱金屬盤研磨，離子束、激光束和等離子體刻蝕等。

2.3 金剛石燒結體刀具

將金剛石厚膜用滾壓研磨破壞的方法加工成平均粒度為32～37μm 的金剛石晶粒或直接利用高溫高壓法制得金剛石晶粒，把晶粒粉末堆放到WC-16wt%Co 合金上，然后用Ta箔將其隔離，在5.5GPa、1500℃條件下燒結60 分鐘，制成金剛石燒結體，用此燒結體制成的車刀具有很高的耐磨性。

2.4 單晶金剛石刀具

單晶金剛石刀具通常是將金剛石單晶固定在小刀頭上， 小刀頭用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。金剛石在小刀頭上的固定方法主要有：機械加固法( 將金剛石底面和加壓面磨平，用壓板加壓固定在小刀頭上);粉末冶金法(將金剛石放在合金粉末中，經加壓在真空中燒結，使金剛石固定在小刀頭上);粘結和釬焊法(使用無機粘結劑或其它粘結劑固定金剛石)。由于金剛石與基體的熱膨脹系數相差懸殊，金剛石易松動，脫落。

3.結語

目(mu)前(qian)在金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)(de)產業化(hua)中(zhong)(zhong)還(huan)存在一(yi)些關鍵(jian)問題(ti)函待解(jie)決(jue)， 如高(gao)速(su)大面積的(de)(de)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)厚膜(mo)(mo)沉積工藝、控制金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜(mo)(mo)的(de)(de)晶界(jie)密度(du)和(he)缺陷(xian)密度(du)、金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜(mo)(mo)的(de)(de)低溫生長(chang)， 金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)薄膜(mo)(mo)與基體結聚(ju)力(li)弱等。金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)數控刀具出眾的(de)(de)效能(neng)和(he)廣泛的(de)(de)的(de)(de)成長(chang)發(fa)展前(qian)途打動我(wo)們國(guo)家(jia)外越來越多(duo)的(de)(de)專業人員通過調(diao)查(cha)， 很(hen)已得到(dao)了超(chao)過性(xing)進行，信賴沒過多(duo)久(jiu)的(de)(de)明天金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)代(dai)加(jia)工件(jian)將大范圍采用到(dao)目(mu)前(qian)代(dai)加(jia)工中(zhong)(zhong)。