"掃描二維碼，關(guān)注協(xié)會(huì)動(dòng)態(tài)"
1概述
自1955年美國(guó)GE公司采用高溫高壓的方法獲得人造金剛石以來(lái)，引起全世界的關(guān)切，尤其是對(duì)缺乏天然金剛石礦藏的國(guó)家具有巨大的吸引力。1957年以高溫高壓的方法合成了立方氮化硼。(CBN)。這些人造材料大大地豐富了材料寶庫(kù)，特別有利于切削工具的發(fā)展。當(dāng)時(shí)這些材料在機(jī)械加工領(lǐng)域的主要用途是作磨料。經(jīng)過(guò)20多年的努力，1977年GE公司又成功地開(kāi)發(fā)了金剛石燒結(jié)體(PCD)和CBN燒結(jié)體(PCBN)，并制造成刀片，使人造超硬材料的用途進(jìn)一步擴(kuò)展，由磨削擴(kuò)展到了切削。
更可喜的是大顆粒的單晶金剛石和單晶CBN的合成，為取代天然金剛石創(chuàng)造了條件。據(jù)資料表明，當(dāng)前已經(jīng)合成的人造單晶金剛石中，最大的竟重達(dá)34.2克拉，但是要實(shí)際應(yīng)用尚有待進(jìn)一步的研究、探索，而且現(xiàn)在的成本也昂貴。
我國(guó)在人造金剛石方面的發(fā)展也十分迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993年全世界的產(chǎn)量為9億克拉，而我國(guó)已達(dá)到2.1～2.3億克拉，居世界首位。這表明我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的潛力相當(dāng)大。這門(mén)技術(shù)的發(fā)展為推動(dòng)超硬材料在我國(guó)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了前提。
化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)技術(shù)的突破，對(duì)切削工具的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一次革命，先是涂復(fù)各種陶瓷材料，而今發(fā)展到了類金剛石膜、金剛石膜、和CBN膜的超硬材料的涂層。這種發(fā)展幾乎使所有切削工具相應(yīng)地提高了表面硬度。而今氣相沉積技術(shù)依然在發(fā)展，就金剛石而言，已從薄膜向厚膜擴(kuò)展，其沉積的速度由一般的每小時(shí)數(shù)微米發(fā)展到了最大每小時(shí)0.93mm。
今天科技在飛速發(fā)展，新材料大量涌現(xiàn)，其中相當(dāng)一部分是高合金鋼、高硅鋁合金、高強(qiáng)度的復(fù)合材料、這些都屬于難切削材料，如宇航工業(yè)常用的Inconel718鎳基合金即為一例。由于超硬材料的發(fā)展，便大大緩解了這些材料難加工的局面。
當(dāng)前，工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家已將這些新材料的研究成果迅速地應(yīng)用到了制造行業(yè)，從而提高了生產(chǎn)率，特別是歐美和日本。我國(guó)雖然在這方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在提高和應(yīng)用上存在著相當(dāng)大的差距。面對(duì)21世紀(jì)的挑戰(zhàn)，人造金剛石、人造CBN等超硬材料必將發(fā)揮出巨大的作用，人們可以拭目以待。
2金剛石、超硬材料的特性與作用
天然單晶金剛石是世界上最硬的物質(zhì)，所以作為磨料和切削工具，其性能是無(wú)與倫比的，以金剛石車(chē)刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡，SEM，也無(wú)法檢測(cè)，直到現(xiàn)在還沒(méi)有一種材料能取而代之，利用它來(lái)切削加工，往往可以直接獲得鏡面，當(dāng)前被廣泛地應(yīng)用于儀表、電子、光學(xué)等領(lǐng)域，成為不可缺少的切削工具的材料，但是因成本昂貴，刃磨需要高超的技藝，所以一直妨礙其廣泛的應(yīng)用。
超硬材料由于性能優(yōu)越，應(yīng)用不斷地在擴(kuò)大，已從金屬加工發(fā)展到了光學(xué)玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統(tǒng)加工難進(jìn)行的領(lǐng)域。
天然單晶金剛石，由于具有各向異性，因此各晶面的硬度相差甚大，在刀具刃磨時(shí)，擇其軟的一面作為研磨面，而將其硬的面作為前刀面或后刀面，這給研磨帶來(lái)了有利的條件，因其各向異性，所以在使用中，必須考慮到晶面的合理選擇，例如，硬度計(jì)的壓砧，在使用中，利用壓入或彈跳來(lái)衡量被測(cè)材料的硬度，但由于工作面的硬度不同，結(jié)果也各異，當(dāng)然采用硬的面，有利于延長(zhǎng)壽命，又如天然金剛石制造的拔絲模，由于孔的工作面由各晶面構(gòu)成，因此硬度不一致，磨損便不均勻，同時(shí)會(huì)給線材的圓截面造成應(yīng)力差異，硬度不勻，而影響使用，金剛石燒結(jié)體和厚膜金剛石，由于各向同性，在這類產(chǎn)品上運(yùn)用就變得非常有利。
PCD、PCBN,因其晶粒不同，濃度不同，性能也就不同，必須合理選擇。
厚膜金剛石是純金剛石，其硬度接近天然金剛石，而PCD、PCDN是金剛石粉與結(jié)合劑混合在一起燒結(jié)而成，因此硬度受到結(jié)合劑的影響，其硬度不如前者。
眾所周知，金剛石與鐵系有親和力，只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000℃的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來(lái)難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時(shí)存在，起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工，對(duì)整個(gè)切削加工領(lǐng)域極為有利。
金剛石切削工具的高精度刃磨需要高超的技藝，為了獲得更高精度的切削刃口圓弧半徑，特別是精度小于0.05µm以下的，對(duì)研磨機(jī)提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求，必須有極高回轉(zhuǎn)精度的主軸軸系，老式研磨機(jī)已不適應(yīng)，更多的開(kāi)始采用空氣軸承作為支承，研磨盤(pán)必須能在機(jī)床上加以修平，使其端面跳動(dòng)控制在0.5µm以下。PCD和PCBN的刃磨相對(duì)而言比較容易，因?yàn)橛捕认鄬?duì)比較低，用金剛石砂輪就能勝任，而厚膜金剛石則不同，其硬度接近天然金剛石，并且是各向同性的，所以刃磨比較困難。
近來(lái)，金剛石切削工具的刃磨已引起人們的關(guān)切，新的刃磨方案相繼提出，其中熱化學(xué)方法介紹頗多，如日本東京工業(yè)大學(xué)吉川昌范教授用加熱到800℃的鑄鐵盤(pán)來(lái)實(shí)施。在加速研磨的設(shè)想方面認(rèn)為，研磨工作量的70%在粗研，所以可以用熱化學(xué)方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金剛石刃磨的工效。
3金剛石及超硬材料應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
天然單晶金剛石
在當(dāng)前的超精密加工中，天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃，其刃口圓弧半徑可以達(dá)到連掃描電子顯微鏡(SEM)也無(wú)法檢測(cè)的程度。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹，最小可達(dá)2～4nm,這是當(dāng)前的最高水平，是通過(guò)切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來(lái)的。1986年日本專門(mén)成立了一個(gè)金剛石刀尖評(píng)價(jià)委員會(huì)，來(lái)解決刀尖的測(cè)量問(wèn)題，直至今天仍然沒(méi)有很好解決，只是從0.05µm提高到2～4nm。1992年?yáng)|芝機(jī)械的淺井昭一也曾提出過(guò)利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行檢測(cè)的建議，但是并沒(méi)有再報(bào)道過(guò)，我國(guó)華中理工大學(xué)精儀系在1996年報(bào)道了用AFM取得了進(jìn)展，這是可喜的成就。
金剛石切削工具的刃磨，雖已有不小的成就。但仍然是以經(jīng)驗(yàn)為主，依舊是一個(gè)有待解決的課題。金剛石切削工具的幾何參數(shù)也許是實(shí)踐不足，所以迄今還有待探索。一般其前角為0°，后角為5～6°，其端部有兩種，一是圓弧，另一為直°線，后者有時(shí)稱為修光刃，其長(zhǎng)度根據(jù)被加工材料來(lái)選擇。圓弧車(chē)刀在切削過(guò)程中的調(diào)整比較簡(jiǎn)單，而平刃的調(diào)整相對(duì)而言是很費(fèi)時(shí)的。如果應(yīng)用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很?chē)?yán)格，它精度的優(yōu)劣會(huì)復(fù)印在曲面上。據(jù)資料表明，日本大阪金剛石制作所在數(shù)年前就能達(dá)到R±0.05µm,英國(guó)則更高，達(dá)到R±0.02µm。
切削過(guò)程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會(huì)很快磨損。因?yàn)榻饎偸诟邷叵潞蚖、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會(huì)發(fā)生反應(yīng)。
金剛石燒結(jié)體(PCD)
PCD的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價(jià)格便宜，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便，所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。在大量涌現(xiàn)的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可，但含硅量超過(guò)10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達(dá)18%以上，所以非PCD莫屬。
但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。
其粒度、濃度等都會(huì)影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類。硬度等特性來(lái)考慮合理的各種參數(shù)。由于其具有各向同性，耐磨性比較好，加工成拔絲模甚至優(yōu)于天然單晶金剛石。
PCD在國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及，但是質(zhì)量有較大的差異，因此在價(jià)格上出入很大。國(guó)內(nèi)曾用美國(guó)超細(xì)粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密機(jī)床上做了切削試驗(yàn)，曾達(dá)到接近鏡面的表面粗糙度。
立方氮化硼燒結(jié)體(PCBN)
PCBN是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，耐高溫，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無(wú)親和力。從發(fā)展的角度來(lái)看，許多新材料需用PCBN來(lái)加工。比如汽車(chē)變速箱的齒輪采用了PCBN的齒輪滾刀，不僅獲得高生產(chǎn)率，且明顯的提高了質(zhì)量，加工面甚至變成了鏡面。據(jù)資料表明，PCBN滾切過(guò)的齒輪表面由于硼的滲入，硬度也變高。這是哈工大的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的。由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無(wú)任何變化且穩(wěn)定，甚至在1300℃時(shí)，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒(méi)有反應(yīng)，更不會(huì)像金剛石那樣急劇磨損，這時(shí)它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過(guò)的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削工作上。
但是，PCBN不適于切削一般的鋼件，因此。選擇工具時(shí)必須注意。采購(gòu)時(shí)必須考慮到其粒度、濃度。
PCBN的幾何形狀也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圓弧，以防護(hù)刀尖破損。
生產(chǎn)PCBN的廠商不少，國(guó)外主要的有美國(guó)的GE公司、日本的住友電氣(株)、DIJET(黛杰)、英國(guó)的DeBeers等，國(guó)內(nèi)主要有成都工具研究所、貴州第六砂輪廠、桂林地質(zhì)研究所等。
超硬材料涂層切削工具
CVD、PVD等技術(shù)的出現(xiàn)，是切削工具領(lǐng)域中的一次重大的革命。它的出現(xiàn)立即引起了機(jī)械制造領(lǐng)域的巨大反響，理想的切削工具應(yīng)當(dāng)是既有硬的表面，又有高的韌性，涂層技術(shù)便達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)。
最早的涂層材料都是陶瓷性質(zhì)的物質(zhì)，如TiN、TiC、Al2O3等，近年來(lái)，涂層技術(shù)又有了很大的發(fā)展。超硬材料涂層正在得到全面應(yīng)用，許多產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在市場(chǎng)上，但國(guó)內(nèi)尚處在實(shí)驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)也會(huì)很快突破，超硬材料涂層的發(fā)展，使整個(gè)現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對(duì)當(dāng)前大量涌現(xiàn)的難加工材料，這些新發(fā)展的涂層技術(shù)將有巨大的適應(yīng)能力，前景相當(dāng)喜人。
超硬材料涂層的種類共有三大類，即類金剛石、金剛石和CBN。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的，和PCD與PCBN相比，因不含結(jié)合劑，所以硬度、耐磨性等均有較大的提高。
金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的，只是薄膜而已，使用時(shí)與陶瓷涂層類同。這里著重介紹類金剛石膜。
類金剛石碳(Diamond-LikeCarbon,簡(jiǎn)稱DLC)膜具有與金剛石膜相似的優(yōu)異性能，其抗摩擦磨損性能良好，且DLC膜制備工藝日趨成熟，可以在很低的沉積溫度下獲得大面積且表面粗糙度小的DLC膜，而金剛石薄膜則要求較高的沉積溫度(約800℃～1000℃)，因此，許多基體材料受到限制，如高速鋼，而且在大面積上沉積均勻也比較困難，表面也粗糙。因此，DLC膜在許多場(chǎng)合更易獲得應(yīng)用，如可作磁盤(pán)的保護(hù)膜。
在涂層切削工具的使用方面，和陶瓷涂層的一樣，涂層基體也必須作很好的處理。一般基體的硬質(zhì)合金為YG8,其預(yù)處理工藝首先用W1金剛石微粉拋光，再進(jìn)行表面脫鈷15min,脫鈷液為1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超聲波清洗10min。基體在涂復(fù)之前，清洗的工作極為重要。如果是切削工具，在刃磨中必須保證不能退火。
由于超硬材料涂復(fù)的技術(shù)歷史尚短，還處在發(fā)展之中。相信它也會(huì)和陶瓷涂層技術(shù)一樣，會(huì)更加完善。
厚膜金剛石
金剛石薄膜的合成技術(shù)和應(yīng)用研究在全球范圍發(fā)展極為迅速，形成了“金剛石薄膜熱”。在這十多年內(nèi)，氣相合成的方法發(fā)展到二十多種，一般沉積的速度每小時(shí)只1～2µm,如何加快沉積速度一直是人們研究的課題。在近期沉積速度發(fā)展到了100µm/h以上，最高達(dá)到930µm/h。我們稱之為厚膜金剛石。我國(guó)東方天地金剛石研究所成功地掌握了這門(mén)技術(shù)，最大的沉積厚度達(dá)到了2.3mm?，F(xiàn)在已商品化，進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)行列。
厚膜金剛石不同于PCD之處是沒(méi)有結(jié)合劑，是純金剛石，所以它的硬度高得多，與天然金剛石不同，它具有各向同性，成本低，因此在許多方面將取代PCD。用作拔絲模將是均勻磨損，因此拔絲的線材質(zhì)量明顯優(yōu)于天然金剛石模具。如果沉積質(zhì)量進(jìn)一步提高，在超精密加工中也有取代天然金剛石的可能，因此頗受超精密領(lǐng)域的重視。
總之，金剛石和超硬材料的發(fā)展，對(duì)各種工業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推動(dòng)作用，前景十分廣闊。
4問(wèn)題與展望
每一種切削工具材料在發(fā)展中都會(huì)出現(xiàn)一些異常，因此必須不斷探索和研究。每一種材料均有不同的特性，在使用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)工具和被加工材料的特性，甚至加工條件來(lái)選擇合理的加工方法。
眾所周知，金剛石是世界上最硬的物質(zhì)，作為切削工具是很理想的材料，所以現(xiàn)在應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是它與黑色金屬有親和力，并且在700℃左右，會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，金剛石的磨損便會(huì)加速，所以只適合于切削有色金屬和非金屬材料。但是人們一直在努力打破這種禁區(qū)，比如美國(guó)LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Cassteven教授曾采用富有碳的環(huán)境，直接切削黑色金屬，有一定的效果；我國(guó)哈工大采用液氮噴淋；以超低溫切削黑色金屬。也同樣取得一定的效果，最近有人認(rèn)為含一定量硼的金剛石有可能切削黑色金屬，總之在不久的將來(lái)，是有可能會(huì)有所突破的。
超硬材料涂層的切削工具出現(xiàn)比陶瓷涂層的早，但仍有許多問(wèn)題待解決，特別是粘接力的強(qiáng)弱，它直接影響到切削工具的壽命。在陶瓷涂層的方面也有這類問(wèn)題的發(fā)生，如切削工具在涂前的潔凈處理；又如切削工具的刃磨中，不容許刃口退火，不容許留有毛刺，也有采用多涂層的辦法來(lái)解決，但是在超硬涂層方面還有待新的發(fā)展。
陶瓷涂層技術(shù)的誕生，是切削工具材料的重大發(fā)展，而超硬材料涂層的再次突破，使幾乎所有的切削工具向更理想的領(lǐng)域靠攏。
PCD和PCBN是當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的切削工具，其技術(shù)的發(fā)展仍然受到重視，比如國(guó)外的產(chǎn)品，在制造中，用電火花線切割將坯料直接切成規(guī)定的形狀，但是國(guó)產(chǎn)的坯料只能先將其硬質(zhì)合金部分切開(kāi)，然后切其余部分。一般這類切削工具所能達(dá)到的表面粗糙度較低，而應(yīng)用美國(guó)GE公司的細(xì)粒度刀片，則可以接近鏡面，主要原因是晶粒粒徑超細(xì)化。其界面增大，能獲得更平滑的切削刃。
厚膜金剛石的合成是一次切削工具材料的突破，它的出現(xiàn)將會(huì)更多地提供取代當(dāng)前超精密加工領(lǐng)域中應(yīng)用的天然金剛石的可能性，這不僅因?yàn)樗男阅芘c天然金剛石接近，而且它的成本低。對(duì)金剛石礦藏稀少的國(guó)家來(lái)說(shuō)，展示了很好的前景。
金剛石沉積的基體在沉積之前，須經(jīng)過(guò)認(rèn)真的清洗。如果是硬質(zhì)合金，一般采用的是鈷基硬質(zhì)合金，它影響金剛石合成時(shí)的核發(fā)生密度，密度低，的則沉積質(zhì)量明顯差，涂層的粘接力就低。所以必須采取腐蝕的辦法去除表層的鈷。因?yàn)殁捲诤突牡慕缑嫔铣练e時(shí)，會(huì)生成石墨等非金剛石物質(zhì)和氣孔。很多碳擴(kuò)散在鈷中，又會(huì)成為界面上龜裂生成原因。含鈷的WC燒結(jié)的熱膨脹系數(shù)為5×10-6/～6×10-6/℃，比金剛石的3.1×10-6/℃大，所以℃合成時(shí)，冷卻到常溫，又會(huì)成為產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因。
從這些情況分析，要提高含鈷的硬質(zhì)合金上沉結(jié)金剛石的粘結(jié)力，仍然是一個(gè)值得探索的課題。最近日本東京工業(yè)大學(xué)吉川昌范教授提出，采用放電燒結(jié)法，可能制造出不含鈷的WC粉末燒結(jié)體，使其沉積的粘結(jié)力明顯提高，并且其沉積的金剛石粒徑也小，這都表明沉積的技術(shù)正在向更高層次發(fā)展。
人工合成大顆粒單晶金剛石業(yè)已突破，但成本仍然很高，還有待發(fā)展。
總之，超硬材料的發(fā)展必將引發(fā)機(jī)械制造的巨大變革，對(duì)21世紀(jì)無(wú)疑將會(huì)作出更大的貢獻(xiàn)。
