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CVD金刚石刀具的应用及其前景



一、主要性能指标

1. 机械性能

CVD金刚石刀具机械性能见表1。
由于CVD 金刚石（CVDD）为100%纯金刚石，其晶粒之间的间隙为基团间隙，而PCD是通过添加Co、Ni、Cu等金属结合剂高温高压而成，故二者是有区别的。单晶金刚石其价格昂贵，且受其几何尺寸大小和性能（解理—方向性）的限制，无法大量应用于品种多样的工具。
表1 机械性能
性能纯金刚石CVD金刚石
硬度（kgf/mm2）>8000>8000
密度（g/cm3）3.523.52
杨氏模量（GPa）>1200>1000
断裂性（J/M）1025
摩擦系数0.1（相对于钢）0.1
热导率（W/cm·K）25>20
磨耗比（111方向）>40×104>30×104
电阻率（Ω·cm）不导电1014～1016
化学惰性常温下不溶于所有酸和碱
表2 CVDD与PCD刀具比较
特性PCDCVDD
材质结构含Co粘结剂纯金刚石
耐磨性随金刚石颗粒大小而变高于PCD2～10倍
韧性（抗
冲击性）		较好略差
耐温性低于500℃，热导率低高于700℃，热导率高
化学稳定性低高
适用性粗加工、精加工
湿切
不适于加工有机复合材料		精加、半精加、连续切削
湿切、干切
适于加工有机复合材料

2. CVDD、PCD刀具的性能比较

CVDD、PCD刀具的性能比较见表2。
  1. CVDD刀具刀刃强度高，具有接近于单晶金刚石刀具的抗冲击性能，能制作具有各种尺寸的刀具；
  2. CVDD刀具耐磨性好，耐用度比硬质合金高100 倍以上；
  3. 用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至Ra0.05 µm以下，工件表面可达到镜面；
  4. 热导率5～10W/cm·K在干切过程中，可将刀尖的热量及时扩散，减少对工件表面损伤，降低刀具使用温度以及提高刀具寿命。

二、CVDD刀具在机械加工中的应用

CVDD包括工具（主要是机械加工）、热学应用等方面。目前，CVDD的产品主要有如下几类：
  1. CVDD普通刀具，高精度刀具；
  2. CVDD砂轮修整笔；
  3. CVDD拉丝模及成品模具；
  4. CVDD新型高压、水射流耐磨喷嘴；
  5. CVDD强化木地板加工工具；
  6. CVDD精密轴承支撑器及耐磨器件等。
CVDD不含任何金属或非金属添加剂，机械性能兼具单晶金刚石和PCD 的优点，又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明，焊接型CVDD工具的使用寿命超过PCD 工具，其抗冲击性优于单晶金刚石膜。因此，CVDD被认为是非铁类材料加工工业中理想的工具材料，如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料的加工等。

1. CVDD刀具用于金属切削加工

CVDD可用于制作车刀、铣刀、刨刀、趟刀等机械加工刀具。
近两年来，各种型号的金刚石膜车刀、键刀已在国内几十家企业使用，并正向国外推广，其应用情况如下：
  1. 代替硬质合金刀具，工效提高十几倍到百倍，降低了劳动强度，工件加工精度明显提高，表面粗糙度显著降低。
  2. 超硬材料和有机复合材料的理想加工刀具；
  3. 和PCD 刀具相比，CVDD刀具表面粗造度低，刃口好；
  4. 在一些领域可代替天然金刚石刀具。
就国内汽车行业中使用的硅铝合金材料来看，含硅量在12%左右，一方面由于其材质不均匀，有硬点，目前PCD刀具占有绝大部分市场，CVDD的份额微乎其微，如轮毅刀具、槽加工刀具等。另一方面，由于现在的CVDD不导电，而PCD导电的性能，使二者在刀具的制作工艺上存在差别，PCD可用电加工方式加工，而CVDD却不行，若能很好地解决CVDD刀具制作工艺问题，则可与PCD刀具在汽车行业中一争高下。
实践表明，CVDD刀具采用正确的几何角度，经过精研完全能作为有色金属及超硬材料的精密切削刀具，如车削紫铜的电机刀（也称整流子刀）等。曾经做过试验，条件如下：
  1. 刀具：CVDD车刀，刀尖修光刃L=1mm，前角8°，后角8°，主偏角60°，刃口粗糙度Ra0.1µm;
  2. 机床：CJ6125 ;
  3. 环境：精密加工实验室；
  4. 工件材料：含硅8%的硅铝合金，紫铜；
  5. 切削参数：n=1400r/min , f=4mm/min, ap=0.015mm/r
在上述试验条件下，车削加工后工件的粗糙度Ra0.012µm ，这是PCD产品所无法达到的。由此可见，CVDD刀具可以达到以车代磨的效果，加工到镜面粗糙度，而其成本远低于天然金刚石（单晶金刚石）刀具。

2. CVDD用于非金属加工

CVDD以其高耐磨性，在木工刀具方面也广受欢迎。如时下正热的木地板行业，由于Al2O3强化木地板的性能优于三聚氢胺木地板，其耐磨层更坚硬，硬质合金刀具加工Al2O3强化木地板已无能为力，必须使用金刚石刀具。两年来的市场调查结果显示，CVDD是优质的木工刀具材料。
对于石材等硬脆材料、玻璃纤维、碳复合材料及有机复合材料的加工，CVDD是理想的刀具材料。

3. 高精度刀具

普通刀具材料（如高速钢）和硬质合金材料因受其本身性能（如耐磨性、硬度等）影响，很难达到很高精度，如制版行业用的制版精修刀、首饰行业用的首饰刀（俗称劈花刀）等。这类刀具要求其本身的精度很高和表面粗糙度很低（粗糙度Ra0.05µm ） ，利用高精度研磨机（主轴跳动为0.1µm ） ，制成了表面粗糙度Ra0 .05µm 的CVDD精密刀具，其尺寸精度为5µm，现已用于制版加工和防伪商标加工，效果良好，工件表面粗糙度可达Ra0.012µm 。
目前，CVDD刀具已广泛应用于超精加工、精加工、半精加工和连续切削，耐磨性比PCD刀具高2～10倍，其性能价格比优于其它金刚石刀具。
据1998年外刊报导，切削用CVDD刀片的市场约为1.5亿美元。

三、CVDD刀具的应用前景


    CVDD膜的制造成本图

  1. 据2000年De-Beers公司资料显示，新型的导电型的CVDD即将出现，故CVDD的加工工艺也会发生变化，可能用电加工方式代替传统的激光加工和磨削加工的方式，使其在复杂形状刀具、成形刀具方面广泛应用。另外，涂层金刚石工具的出现及使用，也将推动CVDD在机械加工方面的应用。如国内有上海交通大学的涂层刀具，国外有美国的SP3公司的P1-diamoiid涂层刀具等。
  2. 随着CVDD制作成本进一步降低（见附图）在各方面的应用将会越来越广泛。
金刚石材料被誉为21 世纪的材料，在这个超精密加工的时代，应该用好金刚石材料，开发出更多更好的刀具。

 [关键词]   有色金属  复合材料  键  刀具  机械加工  密度  铜合金  铝合金  铜  铝 

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