金剛石性能的奇特組合使金剛石成為一種精密和高生產(chǎn)率工業(yè)應(yīng)用的良好材料。自從20世紀(jì)50年代引入的高溫高壓
(HTHP)生產(chǎn)單晶合成金剛石，到20世紀(jì)70年代開發(fā)的金屬燒結(jié)聚晶金剛石(PCD)，人工合成金剛石材料已經(jīng)成為自然
單晶金剛石的唯一替代物。近來，隨著化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝開發(fā)的純聚晶金剛石材料的出現(xiàn)，它在曾經(jīng)認(rèn)為是不
可能達(dá)到的水準(zhǔn)上提高了刀具性能，具有廣闊的前景。
從耐磨鍍層到用于高科技鏡片和電子元件的純凈、獨立的材料，CVD金剛石的工業(yè)應(yīng)用給人留下了深刻印象。機(jī)械制
造業(yè)對CVD金剛石的主要興趣是CVD金剛石材料在高性能切削刀具和修整刀具的實際應(yīng)用。
與HTHP金剛石和金屬燒結(jié)PCD不同，CVD金剛石的制造不需要模擬地球深處自然的高壓。相反，CVD金剛石是用氫氣和
碳?xì)浠旌蠚怏w被激發(fā)到一個“活化的”通常自然界不存在的發(fā)光狀態(tài)。正是這個活化的化學(xué)原理，使純的CVD聚晶金
剛石在800～1000℃的范圍內(nèi)沉積。
2 CVD金剛石
CVD技術(shù)在市場上被公認(rèn)的應(yīng)用是鎢硬質(zhì)合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層。無論是切屑的斷屑槽刀片還是完全
鍍層的螺旋端銑，金剛石鍍層刀具已經(jīng)商業(yè)化了。
然而，現(xiàn)在又有一種“厚膜”CVD金剛石工藝，可用于制成純的、非粘結(jié)劑的金剛石整體形式。這種形式的典型厚度
范圍為150～1000µm。這種材料先被氣相沉積為一種獨立的薄片，然后將這種薄片用激光切削成適合切削刀具的各種
形狀。
CVD金剛石作為切削刀具材料的有利條件是其無與倫比的硬度所導(dǎo)致的優(yōu)良組合性質(zhì)。與金屬燒結(jié)PCD不同的是 金
剛石的獨特性質(zhì)在CVD金剛石中都得到了保留，甚至在高切削溫度下也如此。單晶金剛石的硬度和彈性模量導(dǎo)致了CVD
金剛石的良好耐磨性和其尺寸穩(wěn)定性。
在硅硬質(zhì)合金“砂磨”試驗中，獨立CVD金剛石的相對體積損失比PCD要低4倍，而比鎢硬質(zhì)合金低120倍。與金屬粘結(jié)
PCD坯塊不一樣，厚膜CVD金剛石材料能與單晶金剛石在高切削溫度下的硬度和耐磨性相媲美，甚至超過單晶金剛石在
高切削溫度下的硬度和耐磨性。
CVD金剛石與 金剛石一樣，具有較小的摩擦系數(shù)，在切削時產(chǎn)生較小的切削力和功能消耗以及較少的磨擦熱和優(yōu)
良的抗切屑瘤性。
在干切削或高速機(jī)械加工中，由CVD金剛石的高潤滑性導(dǎo)致切削溫度的降低是其優(yōu)于PCD和其它材料的主要有利條件。
CVD金剛石應(yīng)用于機(jī)械方面的厚膜CVD金剛石材料的熱傳導(dǎo)效率是鎢硬質(zhì)合金的5倍，比PCD的熱傳導(dǎo)率高50%。CVD金剛
石優(yōu)良的熱導(dǎo)率可用作切削區(qū)散熱的安全途徑。非粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)的CVD金剛石允許刀具承受的進(jìn)攻性機(jī)械加工溫度可達(dá)
800℃，而鈷燒結(jié)PCD當(dāng)機(jī)械加工溫度接近700℃時，就會受到熱損壞了。雖然PCD可采用濾去鈷的方式來避免鈷致使
PCD質(zhì)量的下降，然而CVD金剛石還具有優(yōu)良的耐磨性。與金屬燒結(jié)PCD和鎢硬質(zhì)合金材料相比，非粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)的CVD金
剛石的化學(xué)性能更穩(wěn)定。用CVD金剛石鍍層刀具加工合成材料的酚醛樹脂等腐蝕性聚合物時，明顯地具有較長的壽命
，CVD金剛石還能抵御刀具切削液的腐蝕。
純金剛石和含有鐵、鎳或鈷等成分的金屬合金引起的化學(xué)不穩(wěn)定性，在歷史上一直限制著金剛石在切削黑色金屬材料
和超耐熱合金中的應(yīng)用。但盡管如此，諸如PCD、單晶金剛石和CVD金剛石等含有金剛石的材料仍然優(yōu)先應(yīng)用于高生產(chǎn)
率的黑色金屬材料的機(jī)械加工中。
CVD金剛石由于其聚晶結(jié)構(gòu)，可制造出超過實際 金剛石的斷裂韌性(抗斷裂性)。這個特點在斷續(xù)切削和砂輪修整
等進(jìn)攻性機(jī)械加工中證明是很有益的。一般情況下，CVD金剛石的機(jī)械牢固性類似于先進(jìn)陶瓷的牢固性。
精心設(shè)計制造CVD金剛石獨立薄片的斷裂韌性、強(qiáng)度和其它關(guān)鍵性質(zhì)，能改善用于CNC旋轉(zhuǎn)砂輪修整、高速或近似干加
工鋁和金屬基合成材料的高性能刀具。
CVD金剛石刀具與PCD刀具的制造方式類似，金剛石刀片被釬焊在鎢硬質(zhì)合金或高速鋼刀體的帶有切口的角上，再用金
剛石砂輪精磨刀具。厚膜金剛石刀片堅固的釬焊技術(shù)是20世紀(jì)90年代開發(fā)的，這個技術(shù)解決了對金屬切削加工薄膜、
金剛石鍍層硬質(zhì)合金刀片的粘結(jié)和刀體選擇的難題。而用于切削加工的金剛石鍍層硬質(zhì)合金刀片的粘結(jié)與刀體選擇一
直被廣泛認(rèn)為是對切削加工有負(fù)面的影響。大多數(shù)獨立的用于切削刀具的厚膜CVD金剛石材料大約厚0.5mm。相對光滑
、細(xì)顆粒(約1µm)晶核表面一般被拋光，用作切削刀具的前傾面;側(cè)面的粗顆粒表面(>50µm)被真空釬焊在鎢硬質(zhì)合金
刀體或高速鋼刀體上。
雖然CVD工藝的嚴(yán)格控制是關(guān)鍵，但是最終決定刀刃質(zhì)量和刀具牢固性的還是刀具制造。大多數(shù)有經(jīng)驗的制造商對于
PCD工業(yè)常常使用磨削砂輪，而為了適應(yīng)CVD金剛石材料提高的硬度，他們又延長了磨削時間。
J&M金剛石刀具公司用PCD配方的砂輪磨削CVD金剛石，對比于PCD刀具，磨削一把CVD金剛石刀具刀刃要多用10%～20%
的時間。然而延長刀刃磨削時間，可使得刀具制造商獲得優(yōu)于PCD刀具刀刃的表面粗糙度。由于CVD金剛石比PCD更耐
磨，所以簡單地加大磨削砂輪的進(jìn)給量會產(chǎn)生一個過度的磨削力而損壞CVD金剛石刀具切削刃。
厚膜CVD金剛石可用精磨側(cè)面生產(chǎn)一個釬焊、鏡面表面粗糙度(Ra<0.05µm)的切削刀片。對比于薄膜CVD金剛石鍍層，
厚膜刀片的這個獨特的性能使工件也能產(chǎn)生一個優(yōu)良的表面粗糙度。厚膜CVD金剛石在刀具選擇中還提供了替換單晶
金剛石刀具的機(jī)會。
獨立的CVD金剛石材料的牢固性和耐磨性使其成為高硅鋁銑削等廣泛的機(jī)械加工應(yīng)用的優(yōu)良選擇。CVD金剛石加工鋁合
金時的刀具壽命常常是商用PCD刀具壽命的1.55倍。具體實際的改進(jìn)決定于鋁合金、切削刀具的設(shè)計和制造技術(shù)。CVD
金剛石刀具常常用于車削活塞，進(jìn)行鋁輪精車和其它高硅鋁材料和金屬基合成材料的一般機(jī)械加工所需要的斷續(xù)切削
。雖然高硅鋁總是CVD金剛石集中研究的對象，然而金剛石刀片刀具在低硅鋁材料機(jī)械加工中也越來越普遍。高生產(chǎn)
率加工或精確的精加工等都要求使用金剛石刀具。一個汽車制造公司對一個鋁制零件進(jìn)行了精加工操作，CVD金剛石
刀片刀具不僅比PCD耐用30%，而且在刀具的整個壽命中，能連續(xù)加工出所要求的表面粗糙度。
鎢硬質(zhì)合金是單晶金剛石、PCD和PCBN及近來的CVD金剛石的各種精密機(jī)械加工材料之一。在一項試驗中，CVD金剛石
用于鏜削鎢硬質(zhì)合金(含25%Co)的汽缸，汽缸內(nèi)徑20mm、長40mm。汽缸鏜削時噴冷卻液，切削速度為0.5m/s、進(jìn)給量
每轉(zhuǎn)0105mm、切削深度為0.12mm。結(jié)果，厚膜CVD金剛石刀具失效前能加工8個零件，PCD刀具能加工5個零件，而PCBN
只能加工出一個零件。
5 CVD金剛石修整刀具
修整刀具一般能從磨削砂輪表面去除磨鈍的陶瓷或研磨的顆粒，從而努力降低磨削溫度和改善工件表面粗糙度，提高
磨削砂輪加工出小公差工件的能力。修整刀具還用于精修磨削砂輪。以往，大多數(shù)修整和精修操作都是采用固定修整
刀具送入旋轉(zhuǎn)砂輪中的，這種修整刀具常常是用單晶金剛石或PCD制成的。
當(dāng)今，許多高生產(chǎn)率磨削操作使用旋轉(zhuǎn)的CNC修整器或鋒利的修整滾子。當(dāng)砂輪的一邊在加工工件時，其另一邊就同
時被連續(xù)的修整了。CNC旋轉(zhuǎn)修整器可容納超過100片相同的金剛石，這些小金剛石片安裝在修整器的外直徑上，能在
磨削砂輪上產(chǎn)生獨特的形狀。
用激光切削時，獨立的CVD金剛石能給修整刀具的用戶和生產(chǎn)者提供許多獨特的有利條件。CVD金剛石的結(jié)構(gòu)可設(shè)計制
造成具有較高的斷裂韌性和強(qiáng)度，從而達(dá)到優(yōu)化修整刀具壽命和尺寸穩(wěn)定性的目的。
由于CVD金剛石被切成均勻的小片，它可最大限度地減少或消除與單晶金剛石有關(guān)的難題，如 金剛石固有的形狀
約束和變異性等。最后，CVD金剛石材料可制造成高的縱橫比(例如:8mm×1mm×1mm)，CVD金剛石安裝在修整刀具上具
有成本效益，可延長壽命，提高修整效率。
6 結(jié)論
氣相沉積金剛石的自然品質(zhì)和獨立CVD金剛石刀具的制造先進(jìn)技術(shù)，為許多難加工材料提供了一個優(yōu)良的解決辦法。
隨著CVD金剛石在精修刀具上的成功，CVD金剛石在工業(yè)材料加工領(lǐng)域被迅速地推廣和應(yīng)用。
文章整理：金剛石彈性磨塊 http://m.puhuisj.cn/news/