中國粉體網(wǎng)訊 金剛石因其極高的硬度、耐磨性、高熱導(dǎo)率和與有色金屬的親和性低，被用于超精密加工刀具的制造。
金剛石刀具
面對飛速發(fā)展的制造業(yè)，金剛石刀具為何能長期占據(jù)精密加工“一把刀”的關(guān)鍵位置？粉體網(wǎng)編輯認(rèn)為，夠硬是一個基礎(chǔ)條件，關(guān)鍵在于金剛石能不斷淬煉自身。通過淬煉，不斷完善刀具種類、應(yīng)用場景，還善于延長使用壽命，深入微觀世界探索提升切削性能的技術(shù)。
不同金剛石工具的性能比較
單晶金剛石刀具
單晶金剛石工具先前被廣泛用于加工有色金屬，例如鋁、銅和黃金，刀具壽命可達(dá)幾千公里。近年來，單晶金剛石刀具一直在加工有色金屬材料，逐漸轉(zhuǎn)向硬脆材料（如光學(xué)玻璃、硅、碳化硅），鐵類材料（如鐵、錳、鉻等）。刀具磨損快限制了超精密加工在難加工材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用。
HTHP金剛石工具
高溫高壓金剛石（HTHP）比天然金剛石表現(xiàn)更好，其內(nèi)部沒有雜質(zhì)、夾雜物，而且氮含量得到控制，為尖端提供了一致性和均勻性。與天然金剛石相比，HTHP金剛石具有優(yōu)越的斷裂強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)熱性。
然而，HTHP金剛石中的裂紋、內(nèi)部氣泡和坑，會影響刀具的精度和表面粗糙度。另外，HTHP金剛石合成法能夠合成大尺寸的單晶金剛石，但這種方法的高成本和控制難度使其難以推廣。
CVD金剛石涂層刀具
與HPHT金剛石刀具相比，CVD金剛石涂層刀具具有顯著優(yōu)勢。主要優(yōu)點(diǎn)包括CVD能夠控制涂層沉積速率，并在復(fù)雜形狀上實(shí)現(xiàn)均勻涂層。CVD金剛石涂層刀具還具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在加工鋁、硅合金、金屬基復(fù)合材料、石墨等難加工材料方面發(fā)揮著重要作用。
涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障，避免了刀具與工件之間的直接接觸，減少了刀具和工件之間的摩擦和相互作用，提升刀具的抗氧化性能、抗粘結(jié)性能和抗磨粒磨損性能，從而延長刀具服役壽命、改善刀具切削性能。
例如基于摻硼金剛石的卓越性能，開發(fā)摻硼納米聚晶金剛石刀具（NPD）已成為金剛石刀具研究和開發(fā)的開創(chuàng)性途徑。摻硼NPD刀具在切割非導(dǎo)電陶瓷和金屬時表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。光學(xué)玻璃材料，凸顯了其在加工硬脆材料方面的巨大潛力。
對于CVD金剛石涂層刀具來說，提高金剛石鍍層的附著力仍然是一個需要克服的關(guān)鍵障礙。研究表明，硼和鈷可以在界面形成穩(wěn)定的相，從而改善金剛石層的殘余應(yīng)力。這為提高金剛石材層與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度提供了方向。需要注意的是，摻硼金剛石刀具的制造過程相對復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制硼的摻入濃度、涂層均勻性和附著力。
常見硬涂層性能參數(shù)
此外，通過表面涂層技術(shù)在刀具表面涂覆具有較低摩擦因數(shù)的(軟涂層)固體潤滑材料(如 C、MoS2、WS2、CaF2等)。在切削過程中，固體潤滑膜會從刀具表面轉(zhuǎn)移到工件表面并形成轉(zhuǎn)移膜，使摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜與潤滑膜之間，從而有效減小摩擦、阻止粘接、降低切削溫度和切削力，最終達(dá)到減輕刀具磨損和防止積屑瘤產(chǎn)生的目的。
為了更好地解決難加工材料難加工的問題，研究人員采用不同的可行方法增強(qiáng)金剛石刀具的性能，在表面涂層技術(shù)基礎(chǔ)上研究了表面織構(gòu)技術(shù)以及二者的結(jié)合技術(shù)微納織構(gòu)涂層技術(shù)。
通過表面織構(gòu)技術(shù)在刀具表面制備不同類型的微納織構(gòu)，可以改善刀具-切屑接觸面和刀具-工件接觸面的摩擦學(xué)行為，提升刀具的抗粘附磨損性能，降低刀具的切削力、切削溫度及刀具-切屑接觸界面的摩擦因數(shù)，從而增強(qiáng)刀具的切削能力，延長刀具服役壽命。
通過兩種刀具表面改性技術(shù)均可改善刀具表面的熱、力學(xué)性能，進(jìn)而強(qiáng)化切削效果。田初春等研究表明，通過表面織構(gòu)技術(shù)和表面涂層技術(shù)在刀具切削表面置入微納織構(gòu)和涂層可以顯著改善切削性能；特別是在減小刀具磨損、降低切削力、切削溫度以及刀-屑接觸界面摩擦因數(shù)等方面具有顯著效果。
多晶金剛石刀具
單晶金剛石是一種非常昂貴的材料，通常價格大約是多晶金剛石刀具（PCD）的四倍。廉價的PCD工具具有優(yōu)異的性能，如超硬度（8000HV≈78.4GPa）、高耐磨性和優(yōu)異的熱導(dǎo)率（560·W/m·K）。PCD是一種復(fù)合材料，通過將選定的微米級金剛石晶體與少量金屬粉末（Co）混合，然后在高溫（1400℃）和高壓（6Gpa）下燒結(jié)而成。
由于PCD韌性有限，大多數(shù)工業(yè)PCD工具使用硬質(zhì)合金作為基材。PCD工具含有Co和其他金屬粘結(jié)劑，這增強(qiáng)了它們的斷裂韌性。然而，Co具有有害影響PCD本身的硬度。此外，Co在高溫下加速金剛石向石墨的轉(zhuǎn)化。因此，PCD工具非常適合半精加工和具有高斷裂韌性的工具要求。
結(jié)語
精密加工還在飛速發(fā)展，金剛石刀具仍需淬煉自身。
參考來源：
曹廣忠：金剛石的合成、改性技術(shù)及其在超精密加工中切削工具應(yīng)用的綜述，深圳大學(xué)
劉永龍: 刀具涂層技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,齊魯工業(yè)大學(xué)
田初春:微納織構(gòu)涂層刀具切削性能研究進(jìn)展,貴州大學(xué)
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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