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常见金刚石刀具种类、制备及特点!
2019-09-28 17:45:03  

常见金刚石刀具种类、制备及特点!

  
   朋友们都知道金刚石刀具吗?小编来为你们详解一下。
 
   一、单晶金刚石刀具
 
   单晶金刚石可分为天然单晶金刚石和人工合成单晶金刚石。天然金刚石俗称钻石,是人类最早发现的一种最硬的天然矿物,优质天然金刚石多数为规整的八面体或菱形十二面体,少数为六面立方体或其他形状,浅色透明,无杂质和缺陷,具有很大的折射率。第一次工业革命期间,天然单晶金刚石刀具开始用于钟表和精密仪器仪表轴承的机械加工,大大提高了加工精度。
 
   天然金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的单晶大颗粒型金刚石,用焊接式、黏结式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上,然后装在精密机床上使用。天然单晶金刚石刀具经过精细研磨,刃口能磨得极其锋利,刃口半径可达0.002μm,能实现超薄切削。再加上它与被加工材料之间的摩擦系数小,抗黏结性好,热膨胀系数小及热导率高等特点,天然金刚石刀具可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。
 
  目前,天然金刚石刀具超精密镜面切削技术得到迅速发展,主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银、铑等贵重金属特殊工件的超精加工,如录像机磁盘,光学平面镜、多面镜、二次曲面镜等。但由于天然金刚石不仅价格昂贵,而且资源有限,货源奇缺,使其应用范围受到限制。
 
  二、聚晶金刚石(PCD)刀具
 
  人造单晶金刚石是20世纪50年代以后逐渐发展起来的,它是以石墨为原材料,加入催化剂,经高温超高压合成的。人造聚晶金刚石(PCD)是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。人造聚晶金刚石是一种特殊的粉末冶金产品,在制造方法上借鉴了常规粉末冶金中的一些方法和手段。
 
  在烧结过程中由于添加剂的加入,使PCD晶体间形成以Co、Mo、W、WC和Ni等为主要成分的结合桥,金刚石被牢固地嵌于结合桥构成的坚固的骨架中。金属黏结剂的作用就是牢固把持金刚石,充分发挥金刚石的切削效率。另外,由于晶粒在各个方向上自由分布,裂纹很难从一个晶粒传向另一个晶粒,使PCD的强度和韧性都有了很大提高。在选择黏结剂时需要考虑如下内容。
 
  ① 黏结剂与金刚石的把持力。
 
  ② 对特定的加工对象,黏结剂与金刚石的协调磨损。
 
  ③ 适当的制造工艺和生产成本
 
  天然金刚石用于制作刀具已有很长的历史,由于天然金刚石的价格昂贵,金刚石广泛应用于切削加工还是在聚晶金刚石(PCD)研制成功以后,自20世纪70年代初,研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片以后,在很多场合下天然金刚石刀具已被人造聚晶金刚石所替代。虽然PCD的硬度低于单晶金刚石,但PCD属于各向同性材料,使得刀具制造中不需择优定向。由于PCD结合剂具有导电性,使得PCD便于切割成形,而且成本远低于天然金刚石。PCD原料来源丰富,其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。因此,PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。
 
  但PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口,刃口半径很难达到1μm以下,加工的工件表面质量也不如天然金刚石。因此,PCD只能用于有色金属和非金属的精切,很难达到超精密镜面切削。
 
  三、CVD金刚石刀具
 
  CVD金刚石是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜,CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构与特性。自从20世纪70年代末至80年代初,CVD金刚石技术在日本出现以来,越来越受到西方发达国家的高度重视,在研究和应用领域做了大量工作,使得该技术进展十分迅速,日趋成熟,并且这一技术已迅速应用到切削刀具上来,CVD金刚石刀具不仅直接冲击粉涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具的市场,而且还成为PCD刀具强有力的竞争对手。2000年,金刚石膜的总需求量达到20.5亿美元,而其中金属切削加工用CVD金刚石膜刀具市场最大,达8.0亿美金。
 
  CVD金刚石不含任何金属或非金属添加剂,因此,CVD金刚石的性能与天然金刚石十分接近,兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的有点,在一定程度上又克服了它们的不足。根据不同的应用要求,可选择不同的CVD沉积工艺以后合成出晶粒尺寸和表面相貌不同的CVD金刚石。大量实践表明,CVD金刚石工具产品的使用性能在许多方面超过聚晶金刚石的同类产品,而且其表面粗糙度接近单晶金刚石,抗冲击性超过单晶金刚石。因此,CVD金刚石被看成是一种有广阔前景的新金刚石材料。目前研制的CVD金刚石膜产品其晶向直径已超过110mm,厚度达毫米级。
 
  CVD金刚石刀具的超硬耐磨性和良好的韧性使之可加工大多数非金属材料和多重有色金属材料,如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨、陶瓷以及各种增强玻璃纤维和套现为结构材料等。CVD金刚石刀具还可用于高效和高精密加工刀具。其成本远远低于价格昂贵的天然金刚石刀具。目前,CVD金刚石刀具除用于发动机活塞鬼铝合金材料的加工外,还用于内燃机缸体、缸盖、高压油泵、汽油泵、水泵、发电机转子、启动机、汽车车体中玻璃钢部件的车、铣、钻、镗等的加工。
 
   四、不同金刚石刀具的使用特性比较
 
  CVD金刚石与PCD最大不同之处是没有结合剂,是纯金刚石,而且是在低温(<1000℃)和低压(<0.1MPa)条件下制成的,杂质含量低,纯度接近100%。与PCD相比,CVD金刚石刀具硬度更高、耐磨性更好、摩擦系数更小、热导率更高、化学和热稳定性更好。CVD金刚石刀具的性能优于PCD刀具,刀具使用寿命可延长2~3倍。CVD金刚石的缺点是韧性不如PCD,而且不导电。缺乏导电性阻碍了对其进行放电加工,而放点加工在金刚石刀具加工业的生产和修整得到了广泛应用。CVD金刚石刀具一般比PCD刀具的切速高,常用于铝、铜等有色金属及塑料凳非金属的精加工和半精加工。
 
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