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金剛(gang)石性能的(de)奇特(te)組合使金剛(gang)石成為(wei)一種(zhong)精密和高生產率工業應用的(de)良好材料。自從(cong)20世紀50年(nian)代引入(ru)的(de)高溫(wen)高壓

(HTHP)生產單晶合成(cheng)金(jin)剛石(shi)，到20世紀(ji)70年代開(kai)發的金(jin)屬燒(shao)結聚晶金(jin)剛石(shi)(PCD)，人(ren)工合成(cheng)金(jin)剛石(shi)材料已經成(cheng)為自然

單晶金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)唯一替代物。近來，隨著化學(xue)氣相沉積(CVD)工藝開發的(de)純聚晶金(jin)剛(gang)石(shi)材料的(de)出現，它在曾經認為是不

可能達到的(de)水(shui)準上提高了刀具性能，具有廣(guang)闊的(de)前景。

從耐磨鍍層到(dao)用(yong)于高科技鏡片和電(dian)子(zi)元件的(de)純凈(jing)、獨立的(de)材料，CVD金剛(gang)石(shi)的(de)工(gong)業應用(yong)給(gei)人留下了深刻印(yin)象(xiang)。機械制

造業對CVD金剛(gang)石的主要興(xing)趣是CVD金剛(gang)石材料在(zai)高(gao)性(xing)能切削刀(dao)具(ju)和修整刀(dao)具(ju)的實際應用。

與HTHP金剛(gang)石(shi)(shi)和(he)金屬燒結(jie)PCD不同，CVD金剛(gang)石(shi)(shi)的(de)制造不需要模擬(ni)地(di)球(qiu)深處自然的(de)高壓(ya)。相(xiang)反(fan)，CVD金剛(gang)石(shi)(shi)是(shi)用氫氣(qi)和(he)

碳(tan)氫混合(he)氣體被激發到一個(ge)“活化的”通常(chang)自(zi)然界不(bu)存在的發光狀態。正(zheng)是這個(ge)活化的化學原理(li)，使(shi)純的CVD聚(ju)晶(jing)金

剛(gang)石在800～1000℃的范圍(wei)內沉(chen)積。

2 CVD金剛石

CVD技術在市場(chang)上被公認的(de)應用(yong)是(shi)(shi)鎢(wu)硬(ying)質(zhi)合金(jin)切削刀具的(de)“薄膜(mo)”CVD金(jin)剛(gang)石鍍層。無論(lun)是(shi)(shi)切屑的(de)斷屑槽刀片還是(shi)(shi)完全

鍍層(ceng)的螺(luo)旋端銑，金剛石鍍層(ceng)刀具已(yi)經商業化了。

然而，現在又有一(yi)種“厚膜(mo)”CVD金剛石工藝，可用(yong)于制成(cheng)純(chun)的、非粘結劑的金剛石整體形式(shi)。這(zhe)種形式(shi)的典型厚度

范(fan)圍為(wei)150～1000µm。這種(zhong)材料(liao)先被(bei)氣(qi)相沉積為(wei)一種(zhong)獨立(li)的(de)薄片，然(ran)后將這種(zhong)薄片用激光切削(xue)(xue)成適合切削(xue)(xue)刀具的(de)各種(zhong)

形狀。
 

CVD金剛石作為切削刀(dao)具材料(liao)的(de)有利(li)條件是(shi)其無與倫(lun)比的(de)硬(ying)度(du)所導致的(de)優良組合性質。與金屬燒結PCD不同的(de)是(shi) 金

剛(gang)石(shi)的獨特性質在(zai)CVD金剛(gang)石(shi)中都得到了保(bao)留，甚至在(zai)高切削溫度下也如此。單晶金剛(gang)石(shi)的硬度和彈性模量導致了CVD

金剛石的良好耐磨(mo)性(xing)(xing)和其(qi)尺寸穩定性(xing)(xing)。

在硅(gui)硬質合(he)金“砂磨”試驗中(zhong)，獨立CVD金剛石(shi)的相對體積損失比PCD要(yao)低(di)(di)4倍(bei)，而比鎢硬質合(he)金低(di)(di)120倍(bei)。與金屬粘結

PCD坯塊不一樣，厚膜CVD金(jin)剛(gang)石材料能與單晶金(jin)剛(gang)石在高切削溫度(du)下的(de)硬度(du)和耐磨性相媲美，甚至超(chao)過單晶金(jin)剛(gang)石在

高切削溫度(du)下的硬度(du)和耐磨性(xing)。

CVD金(jin)剛石(shi)與 金(jin)剛石(shi)一(yi)樣，具有較(jiao)小的摩擦(ca)系數，在切削時產生較(jiao)小的切削力和(he)功能消耗(hao)以及(ji)較(jiao)少(shao)的磨擦(ca)熱和(he)優

良的抗切屑(xie)瘤性。

在干切削(xue)或高速機械(xie)加工中，由(you)CVD金剛石的(de)高潤滑性導致切削(xue)溫度的(de)降(jiang)低(di)是其優于PCD和其它材料(liao)的(de)主(zhu)要有利條件。

CVD金(jin)(jin)剛(gang)石應(ying)用(yong)于機械(xie)方面的(de)厚(hou)膜CVD金(jin)(jin)剛(gang)石材料(liao)的(de)熱(re)傳導效率(lv)是(shi)鎢硬質合金(jin)(jin)的(de)5倍，比PCD的(de)熱(re)傳導率(lv)高50%。CVD金(jin)(jin)剛(gang)

石優(you)良(liang)的(de)(de)熱導率可(ke)(ke)用作切(qie)削區散熱的(de)(de)安全(quan)途徑(jing)。非粘結劑(ji)結構(gou)的(de)(de)CVD金剛石允許刀具(ju)承受(shou)的(de)(de)進(jin)攻性(xing)機械加(jia)工(gong)溫度可(ke)(ke)達

800℃，而鈷(gu)燒(shao)結PCD當機械(xie)加工溫度(du)接(jie)近700℃時，就會受到熱(re)損壞了。雖然PCD可采用濾去鈷(gu)的方式(shi)來(lai)避免(mian)鈷(gu)致使

PCD質(zhi)量的(de)下降，然而CVD金(jin)(jin)剛石還具有優良的(de)耐(nai)磨性。與金(jin)(jin)屬燒結PCD和鎢硬(ying)質(zhi)合金(jin)(jin)材料相比(bi)，非粘結劑結構的(de)CVD金(jin)(jin)

剛石的化學性(xing)(xing)能更穩(wen)定。用CVD金剛石鍍層刀具加工合成材料的酚醛樹脂等腐(fu)蝕(shi)性(xing)(xing)聚合物時(shi)，明(ming)顯地(di)具有較長(chang)的壽命

，CVD金剛石還能(neng)抵御刀具切削液的腐蝕(shi)。

純金(jin)剛石和含有鐵、鎳或鈷等成分的金(jin)屬合金(jin)引起(qi)的化學(xue)不穩定性，在歷史上一直限制著金(jin)剛石在切削黑色(se)金(jin)屬材(cai)料

 和超耐(nai)熱合(he)金(jin)(jin)中(zhong)的(de)應用。但盡(jin)管如此，諸如PCD、單晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)和CVD金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)等含(han)有(you)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)材料仍然(ran)優先應用于高(gao)生產

率的黑色金屬材料的機械加工中。
 

CVD金剛石由于其聚晶結構，可制造(zao)出超過實(shi)際 金剛石的斷裂韌性(xing)(抗斷裂性(xing))。這(zhe)個(ge)特點在斷續(xu)切削和砂輪修整

等進(jin)攻(gong)性機械加工(gong)中證明是(shi)很(hen)有益的(de)。一般(ban)情況下(xia)，CVD金剛石的(de)機械牢固性類似(si)于先進(jin)陶瓷的(de)牢固性。

精(jing)心設計制造CVD金剛石獨立(li)薄(bo)片的斷裂(lie)韌性(xing)、強(qiang)度和其它(ta)關鍵性(xing)質，能改善用于CNC旋轉砂(sha)輪修整、高速(su)或近似干加

工(gong)鋁(lv)和(he)金屬基合成材料(liao)的高(gao)性(xing)能刀具。

CVD金剛石(shi)刀具(ju)與PCD刀具(ju)的(de)(de)制造(zao)方式類似，金剛石(shi)刀片被釬焊在鎢硬質合金或(huo)高速鋼刀體的(de)(de)帶有(you)切口的(de)(de)角(jiao)上，再用金

剛石砂輪精磨刀具。厚(hou)膜金剛石刀片堅固的釬焊技術是20世(shi)紀90年代開發的，這個技術解決了對金屬切削加工薄膜、

金(jin)(jin)剛石鍍(du)層硬(ying)質(zhi)合(he)金(jin)(jin)刀(dao)片(pian)的(de)粘(zhan)結和刀(dao)體選(xuan)擇(ze)的(de)難題。而用于(yu)切(qie)削加工的(de)金(jin)(jin)剛石鍍(du)層硬(ying)質(zhi)合(he)金(jin)(jin)刀(dao)片(pian)的(de)粘(zhan)結與刀(dao)體選(xuan)擇(ze)一

直(zhi)被廣(guang)泛認為是對切(qie)(qie)削加工有負面(mian)的影響。大多數獨立的用(yong)于切(qie)(qie)削刀具的厚膜CVD金剛石材料(liao)大約厚0.5mm。相對光滑

、細(xi)顆(ke)粒(li)(li)(約1µm)晶(jing)核(he)表面一般被(bei)拋光，用作(zuo)切削刀(dao)具的(de)前傾面;側面的(de)粗顆(ke)粒(li)(li)表面(>50µm)被(bei)真空釬(han)焊在鎢硬(ying)質合金

刀體或高(gao)速鋼刀體上。

雖然CVD工藝的嚴格控制(zhi)(zhi)是關鍵，但(dan)是最終決定(ding)刀(dao)(dao)刃質量和刀(dao)(dao)具(ju)牢(lao)固性的還是刀(dao)(dao)具(ju)制(zhi)(zhi)造。大多數有經驗(yan)的制(zhi)(zhi)造商對于

PCD工業常常使用磨削砂輪，而為了適應CVD金剛石(shi)材料提高(gao)的(de)硬度，他們又延長了磨削時間。

J&M金剛石(shi)(shi)刀具(ju)公司用(yong)PCD配方的砂輪(lun)磨削(xue)CVD金剛石(shi)(shi)，對比于PCD刀具(ju)，磨削(xue)一把(ba)CVD金剛石(shi)(shi)刀具(ju)刀刃要多用(yong)10%～20%

的(de)時間。然而(er)延長(chang)刀(dao)刃磨削時間，可(ke)使得(de)刀(dao)具制造商獲得(de)優于(yu)PCD刀(dao)具刀(dao)刃的(de)表(biao)面粗糙度。由(you)于(yu)CVD金剛石比PCD更耐

磨，所(suo)以簡單地(di)加大磨削(xue)砂輪的進(jin)給量會產生一個過度(du)的磨削(xue)力而損壞CVD金(jin)剛石(shi)刀具切削(xue)刃。

厚膜(mo)CVD金剛石可用精磨側(ce)面(mian)生產一個釬(han)焊、鏡面(mian)表面(mian)粗糙度(Ra<0.05µm)的切削刀片。對比于(yu)薄膜(mo)CVD金剛石鍍層，

厚膜刀(dao)片的這個獨(du)特的性(xing)能(neng)使(shi)工件也能(neng)產生一個優良的表(biao)面粗糙度。厚膜CVD金剛石在刀(dao)具選(xuan)擇中還提(ti)供(gong)了替換單(dan)晶

金剛石刀具的機會。

獨立的(de)CVD金剛石(shi)材料的(de)牢固性和耐磨(mo)性使其成為高硅(gui)鋁銑削等廣泛(fan)的(de)機械(xie)加工應用的(de)優良(liang)選(xuan)擇。CVD金剛石(shi)加工鋁合(he)

金時的(de)刀具(ju)壽命(ming)常(chang)常(chang)是商用PCD刀具(ju)壽命(ming)的(de)1.55倍。具(ju)體(ti)實際的(de)改進決定于(yu)鋁(lv)合(he)金、切削刀具(ju)的(de)設計和制造技術(shu)。CVD

金剛石刀具常常用于車削活塞(sai)，進行鋁(lv)輪(lun)精(jing)車和其(qi)它高硅鋁(lv)材料(liao)和金屬基合成材料(liao)的(de)一(yi)般機械加(jia)工所需(xu)要的(de)斷(duan)續切削

。雖然高硅鋁(lv)總是CVD金(jin)剛(gang)石集中研究的(de)對象，然而金(jin)剛(gang)石刀片刀具在低硅鋁(lv)材料機(ji)械加工中也越來越普遍。高生產

率加工(gong)或精確的(de)精加工(gong)等都(dou)要(yao)求使用(yong)金剛石刀(dao)具。一個汽車(che)制造公司對(dui)一個鋁制零(ling)件(jian)進行了(le)精加工(gong)操(cao)作，CVD金剛石

刀片刀具不(bu)僅比PCD耐用(yong)30%，而(er)且在刀具的整個壽(shou)命中(zhong)，能連(lian)續加工(gong)出所(suo)要求的表面粗糙度。

鎢硬(ying)質合金(jin)是單(dan)晶(jing)金(jin)剛(gang)石(shi)、PCD和PCBN及近來(lai)的CVD金(jin)剛(gang)石(shi)的各種精密(mi)機械加工材料之一。在一項試驗中，CVD金(jin)剛(gang)石(shi)

 用(yong)于鏜(tang)削鎢硬質合(he)金(jin)(含25%Co)的汽(qi)缸，汽(qi)缸內(nei)徑20mm、長40mm。汽(qi)缸鏜(tang)削時(shi)噴冷卻(que)液(ye)，切削速(su)度為0.5m/s、進給(gei)量

每轉0105mm、切削深度為0.12mm。結果，厚膜CVD金剛石刀(dao)具(ju)失效前(qian)能加工(gong)8個零件，PCD刀(dao)具(ju)能加工(gong)5個零件，而(er)PCBN

只能加工出一(yi)個零件。

5 CVD金剛石修(xiu)整刀具

修(xiu)整刀具一般(ban)能(neng)從磨(mo)削砂輪表面去除(chu)磨(mo)鈍的(de)(de)陶瓷或(huo)研磨(mo)的(de)(de)顆粒，從而努力(li)降(jiang)低磨(mo)削溫度(du)和(he)改善(shan)工件表面粗糙度(du)，提高

磨削(xue)砂輪加(jia)工出(chu)小公差工件(jian)的能力。修(xiu)整刀具(ju)還用于精修(xiu)磨削(xue)砂輪。以往，大多數修(xiu)整和精修(xiu)操作都是采(cai)用固定修(xiu)整

刀具(ju)送(song)入(ru)旋(xuan)轉砂(sha)輪(lun)中的(de)，這種修整刀具(ju)常(chang)常(chang)是用單晶金(jin)剛(gang)石或PCD制成(cheng)的(de)。

當今(jin)，許多高生產率磨削操作使用旋轉的CNC修整器或(huo)鋒(feng)利的修整滾(gun)子。當砂(sha)輪的一邊(bian)在(zai)加(jia)工工件時，其另一邊(bian)就同

時(shi)被連續的(de)(de)修(xiu)整了。CNC旋(xuan)轉(zhuan)修(xiu)整器(qi)(qi)可(ke)容納超過100片相同的(de)(de)金剛石，這些(xie)小金剛石片安裝在修(xiu)整器(qi)(qi)的(de)(de)外直(zhi)徑上，能(neng)在

磨削砂輪上(shang)產(chan)生獨特的形狀。

用(yong)激光切削時，獨立的(de)CVD金剛(gang)(gang)石(shi)能給修整刀具的(de)用(yong)戶和(he)生產者提供許多(duo)獨特的(de)有(you)利條件。CVD金剛(gang)(gang)石(shi)的(de)結構可設計制

造(zao)成具有較高(gao)的斷裂韌(ren)性和強(qiang)度(du)，從而達到優化修整(zheng)刀(dao)具壽(shou)命和尺寸穩定性的目的。

由(you)于CVD金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)被切成均勻的小(xiao)片，它可(ke)最大限(xian)度(du)地減(jian)少或消除與單(dan)晶金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)有關的難(nan)題，如 金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)固(gu)有的形(xing)狀

約束和(he)變異(yi)性等。最后，CVD金剛石材料可制造(zao)成高的縱橫比(例如:8mm×1mm×1mm)，CVD金剛石安裝在修整刀具(ju)上具(ju)

有成本效(xiao)益，可延長壽命(ming)，提高修整效(xiao)率(lv)。

6 結論

氣相(xiang)沉積金剛(gang)石的自然品質和獨(du)立CVD金剛(gang)石刀(dao)具的制造先進技術，為許多難加工材料提供了一個優良的解決(jue)辦法。

隨著CVD金剛石(shi)在(zai)精修刀具上的(de)成功，CVD金剛石(shi)在(zai)工(gong)業(ye)材料加工(gong)領(ling)域被迅速地推廣和應(ying)用。

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