金刚石和超硬材料的应用与展望

1 概述
自1955年美国GE公司采用高温高压的方法获得人造金刚石以来，引起全世界的关切，尤其是对缺乏天然金刚石矿藏的国家具有巨大的吸引力。1957年以高温高压的方法合成了立方氮化硼。(CBN)。这些人造材料大大地丰富了材料宝库，特别有利于切削工具的发展。当时这些材料在机械加工领域的主要用途是作磨料。经过20多年的努力，1977年GE公司又成功地开发了金刚石烧结体(PCD)和CBN烧结体(PCBN)，并制造成刀片，使人造超硬材料的用途进一步扩展，由磨削扩展到了切削。
    更可喜的是大颗粒的单晶金刚石和单晶CBN的合成，为取代天然金刚石创造了条件。据资料表明，当前已经合成的人造单晶金刚石中，最大的竟重达34.2克拉，但是要实际应用尚有待进一步的研究、探索，而且现在的成本也昂贵。
    我国在人造金刚石方面的发展也十分迅速，据统计，1993年全世界的产量为9亿克拉，而我国已达到2.1～2.3亿克拉，居世界首位。这表明我国在这个领域的潜力相当大。这门技术的发展为推动超硬材料在我国的广泛应用创造了前提。
    化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)技术的突破，对切削工具的发展来说是一次革命，先是涂复各种陶瓷材料，而今发展到了类金刚石膜、金刚石膜、和CBN膜的超硬材料的涂层。这种发展几乎使所有切削工具相应地提高了表面硬度。而今气相沉积技术依然在发展，就金刚石而言，已从薄膜向厚膜扩展，其沉积的速度由一般的每小时数微米发展到了最大每小时0.93mm。
    今天科技在飞速发展，新材料大量涌现，其中相当一部分是高合金钢、高硅铝合金、高强度的复合材料、这些都属于难切削材料，如宇航工业常用的Inconel718镍基合金即为一例。由于超硬材料的发展，便大大缓解了这些材料难加工的局面。
  当前，工业发达的国家已将这些新材料的研究成果迅速地应用到了制造行业，从而提高了生产率，特别是欧美和日本。我国虽然在这方面有了长足的进步，但是在提高和应用上存在着相当大的差距。面对21世纪的挑战，人造金刚石、人造CBN等超硬材料必将发挥出巨大的作用，人们可以拭目以待。

2 金刚石、超硬材料的特性与作用
   天然单晶金刚石是世界上最硬的物质，所以作为磨料和切削工具，其性能是无与伦比的，以金刚石车刀为例，其刃口圆弧半径可以刃磨到连扫描电子显微镜，SEM，也无法检测，直到现在还没有一种材料能取而代之，利用它来切削加工，往往可以直接获得镜面，当前被广泛地应用于仪表、电子、光学等领域，成为不可缺少的切削工具的材料，但是因成本昂贵，刃磨需要高超的技艺，所以一直妨碍其广泛的应用。超硬材料由于性能优越，应用不断地在扩大，已从金属加工发展到了光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难进行的领域。
   天然单晶金刚石，由于具有各向异性，因此各晶面的硬度相差甚大，在刀具刃磨时，择其软的一面作为研磨面，而将其硬的面作为前刀面或后刀面，这给研磨带来了有利的条件，因其各向异性，所以在使用中，必须考虑到晶面的合理选择，例如，硬度计的压砧，在使用中，利用压入或弹跳来衡量被测材料的硬度，但由于工作面的硬度不同，结果也各异，当然采用硬的面，有利于延长寿命，又如天然金刚石制造的拔丝模，由于孔的工作面由各晶面构成，因此硬度不一致，磨损便不均匀，同时会给线材的圆截面造成应力差异，硬度不匀，而影响使用，金刚石烧结体和厚膜金刚石，由于各向同性，在这类产品上运用就变得非常有利。
   PCD、PCBN,因其晶粒不同，浓度不同，性能也就不同，必须合理选择。厚膜金刚石是纯金刚石，其硬度接近天然金刚石，而PCD、PCDN是金刚石粉与结合剂混合在一起烧结而成，因此硬度受到结合剂的影响，其硬度不如前者。
   众所周知，金刚石与铁系有亲和力，只能用在有色金属和非金属材料上，而CBN即使在1000℃的高温下，切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难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刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在，起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工，对整个切削加工领域极为有利。
金刚石切削工具的高精度刃磨需要高超的技艺，为了获得更高精度的切削刃口圆弧半径，特别是精度小于0.05um以下的，对研磨机提出了相当严格的要求，必须有极高回转精度的主轴轴系，老式研磨机已不适应，更多的开始采用空气轴承作为支承，研磨盘必须能在机床上加以修平，使其端面跳动控制在0.5um以下。PCD和PCBN的刃磨相对而言比较容易，因为硬度相对比较低，用金刚石砂轮就能胜任，而厚膜金刚石则不同，其硬度接近天然金刚石，并且是各向同性的，所以刃磨比较困难。
    近来，金刚石切削工具的刃磨已引起人们的关切，新的刃磨方案相继提出，其中热化学方法介绍颇多，如日本东京工业大学吉川昌范教授用加热到800℃的铸铁盘来实施。在加速研磨的设想方面认为，研磨工作量的70%在粗研，所以可以用热化学方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金刚石刃磨的工效。

3 金刚石及超硬材料应用中的注意事项

天然单晶金刚石
    在当前的超精密加工中，天然单晶金刚石的切削工具已是必不可少。它可获得极为锋利的切削刃，其刃口圆弧半径可以达到连扫描电子显微镜(SEM)也无法检测的程度。据日本大阪大学井川直哉教授介绍，最小可达2～4nm,这是当前的最高水平，是通过切削获得的厚为1nm的切屑推算出来的。1986年日本专门成立了一个金刚石刀尖评价委员会，来解决刀尖的测量问题，直至今天仍然没有很好解决，只是从0.05um提高到2～4nm。1992年东芝机械的浅井昭一也曾提出过利用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)进行检测的建议，但是并没有再报道过，我国华中理工大学精仪系在1996年报道了用AFM取得了进展，这是可喜的成就。
   金刚石切削工具的刃磨，虽已有不小的成就。但仍然是以经验为主，依旧是一个有待解决的课题。金刚石切削工具的几何参数也许是实践不足，所以迄今还有待探索。一般其前角为0°，后角为5～6°，其端部有两种，一是圆弧，另一为直°线，后者有时称为修光刃，其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中，圆弧的刃磨要求就很严格，它精度的优劣会复印在曲面上。据资料表明，日本大阪金刚石制作所在数年前就能达到R±0.05um,英国则更高，达到R±0.02um。
   切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700℃，否则会发生石墨化现象，工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应。

金刚石烧结体(PCD)
    PC D的出现，在许多方面代替了天然单晶金刚石。PCD与天然金刚石比较，价格便宜，且刃磨远比天然金刚石方便，所以其应用、推广特别迅速。在大量涌现的新材料中，大部分都是难加工材料，如高硅铝合金，汽车发动机的活塞大量采用这种材料。一般，含硅量低于10%的铝合金，用硬质合金切削工具即可，但含硅量超过10%,就只能借助PCD。当前采用的高硅铝合金含硅量均在12%以上，有的已达18%以上，所以非PCD莫属。
   但是，由于PCD的种类很多，有合理选择的必要。其粒度、浓度等都会影响到硬度、耐磨性等性能。因此，在应用中也必须根据被加工材料的种类。硬度等特性来考虑合理的各种参数。由于其具有各向同性，耐磨性比较好，加工成拔丝模甚至优于天然单晶金刚石。
    PCD在国内外的生产已十分普及，但是质量有较大的差异，因此在价格上出入很大。国内曾用美国超细粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密机床上做了切削试验，曾达到接近镜面的表面粗糙度。

立方氮化硼烧结体(PCBN)
    PCBN是CBN颗粒与结合剂一起烧结而成，耐高温，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。从发展的角度来看，许多新材料需用PCBN来加工。比如汽车变速箱的齿轮采用了PCBN的齿轮滚刀，不仅获得高生产率，且明显的提高了质量，加工面甚至变成了镜面。据资料表明，PCBN滚切过的齿轮表面由于硼的渗入，硬度也变高。这是哈工大的实验所证实的。由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中，在900℃以下无任何变化且稳定，甚至在1300℃时，和Fe、Ni、Co等也几乎没有反应，更不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度，因此，它不仅能切削淬火过的钢零件或冷硬铸铁，而且能被广泛应用于高速或超高速的切削工作上。
但是，PCBN不适于切削一般的钢件，因此。选择工具时必须注意。采购时必须考虑到其粒度、浓度。  PCBN的几何形状也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圆弧，以防护刀尖破损。生产PCBN的厂商不少，国外主要的有美国的GE公司、日本的住友电气(株)、DIJET(黛杰)、英国的DeBeers等，国内主要有成都工具研究所、贵州第六砂轮厂、桂林地质研究所等。

超硬材料涂层切削工具。
   CVD、PVD等技术的出现，是切削工具领域中的一次重大的革命。它的出现立即引起了机械制造领域的巨大反响，理想的切削工具应当是既有硬的表面，又有高的韧性，涂层技术便达到了这个目标。
    最早的涂层材料都是陶瓷性质的物质，如TiN、TiC、Al23O等，近年来，涂层技术又有了很大的发展。超硬材料涂层正在得到全面应用，许多产品相继出现在市场上，但国内尚处在实验阶段，预计也会很快突破，超硬材料涂层的发展，使整个现有的切削工具的性能都明显得到了提高，面对当前大量涌现的难加工材料，这些新发展的涂层技术将有巨大的适应能力，前景相当喜人。
    超硬材料涂层的种类共有三大类，即类金刚石、金刚石和CBN。这些涂层材料均为纯金刚石或纯CBN,所以硬度与沉积的材料是相同的，和PCD与PCBN相比，因不含结合剂，所以硬度、耐磨性等均有较大的提高。
   金刚石涂层和CBN涂层的性能与原材料是相同的，只是薄膜而已，使用时与陶瓷涂层类同。这里着重介绍类金刚石膜。
    类金刚石碳(Diamond-LikeCarbon,简称DLC)膜具有与金刚石膜相似的优异性能，其抗摩擦磨损性能良好，且DLC膜制备工艺日趋成熟，可以在很低的沉积温度下获得大面积且表面粗糙度小的DLC膜，而金刚石薄膜则要求较高的沉积温度(约800℃～1000℃)，因此，许多基体材料受到限制，如高速钢，而且在大面积上沉积均匀也比较困难，表面也粗糙。因此，DLC膜在许多场合更易获得应用，如可作磁盘的保护膜。
   在涂层切削工具的使用方面，和陶瓷涂层的一样，涂层基体也必须作很好的处理。一般基体的硬质合金为YG8,其预处理工艺首先用W1金刚石微粉抛光，再进行表面脱钴15min,脱钴液为1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超声波清洗10min。基体在涂复之前，清洗的工作极为重要。如果是切削工具，在刃磨中必须保证不能退火。
   由于超硬材料涂复的技术历史尚短，还处在发展之中。相信它也会和陶瓷涂层技术一样，会更加完善。

厚膜金刚石
金刚石薄膜的合成技术和应用研究在全球范围发展极为迅速，形成了“金刚石薄膜热”。在这十多年内，气相合成的方法发展到二十多种，一般沉积的速度每小时只1～2um,如何加快沉积速度一直是人们研究的课题。在近期沉积速度发展到了100um/h以上，最高达到930um/h。我们称之为厚膜金刚石。我国东方天地金刚石研究所成功地掌握了这门技术，最大的沉积厚度达到了2.3mm。现在已商品化，进入了国际先进行列。
   厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。用作拔丝模将是均匀磨损，因此拔丝的线材质量明显优于天然金刚石模具。如果沉积质量进一步提高，在超精密加工中也有取代天然金刚石的可能，因此颇受超精密领域的重视。
    总之，金刚石和超硬材料的发展，对各种工业的发展将起到巨大的推动作用，前景十分广阔。
4 问题与展望
    每一种切削工具材料在发展中都会出现一些异常，因此必须不断探索和研究。每一种材料均有不同的特性，在使用中应当根据工具和被加工材料的特性，甚至加工条件来选择合理的加工方法。
    众所周知，金刚石是世界上最硬的物质，作为切削工具是很理想的材料，所以现在应用相当广泛。但是它与黑色金属有亲和力，并且在700℃左右，会发生石墨化现象，金刚石的磨损便会加速，所以只适合于切削有色金属和非金属材料。但是人们一直在努力打破这种禁区，比如美国LLNL国家实验室Cassteven教授曾采用富有碳的环境，直接切削黑色金属，有一定的效果；我国哈工大采用液氮喷淋；以超低温切削黑色金属。也同样取得一定的效果，最近有人认为含一定量硼的金刚石有可能切削黑色金属，总之在不久的将来，是有可能会有所突破的。
    超硬材料涂层的切削工具出现比陶瓷涂层的早，但仍有许多问题待解决，特别是粘接力的强弱，它直接影响到切削工具的寿命。在陶瓷涂层的方面也有这类问题的发生，如切削工具在涂前的洁净处理；又如切削工具的刃磨中，不容许刃口退火，不容许留有毛刺，也有采用多涂层的办法来解决，但是在超硬涂层方面还有待新的发展。
    陶瓷涂层技术的诞生，是切削工具材料的重大发展，而超硬材料涂层的再次突破，使几乎所有的切削工具向更理想的领域靠拢。
    PCD和PCBN是当前应用比较普遍的切削工具，其技术的发展仍然受到重视，比如国外的产品，在制造中，用电火花线切割将坯料直接切成规定的形状，但是国产的坯料只能先将其硬质合金部分切开，然后切其余部分。一般这类切削工具所能达到的表面粗糙度较低，而应用美国GE公司的细粒度刀片，则可以接近镜面，主要原因是晶粒粒径超细化。其界面增大，能获得更平滑的切削刃。
    厚膜金刚石的合成是一次切削工具材料的突破，它的出现将会更多地提供取代当前超精密加工领域中应用的天然金刚石的可能性，这不仅因为它的性能与天然金刚石接近，而且它的成本低。对金刚石矿藏稀少的国家来说，展示了很好的前景。
   金刚石沉积的基体在沉积之前，须经过认真的清洗。如果是硬质合金，一般采用的是钴基硬质合金，它影响金刚石合成时的核发生密度，密度低，的则沉积质量明显差，涂层的粘接力就低。所以必须采取腐蚀的办法去除表层的钴。因为钴在和基材的界面上沉积时，会生成石墨等非金刚石物质和气孔。很多碳扩散在钴中，又会成为界面上龟裂生成原因。含钴的WC烧结的热膨胀系数为5×10-6/～6×10-6/℃，比金刚石的3.1×10-6/℃大，所以℃合成时，冷却到常温，又会成为产生残余应力的原因。从这些情况分析，要提高含钴的硬质合金上沉结金刚石的粘结力，仍然是一个值得探索的课题。最近日本东京工业大学吉川昌范教授提出，采用放电烧结法，可能制造出不含钴的WC粉末烧结体，使其沉积的粘结力明显提高，并且其沉积的金刚石粒径也小，这都表明沉积的技术正在向更高层次发展。人工合成大颗粒单晶金刚石业已突破，但成本仍然很高，还有待发展。
   总之，超硬材料的发展必将引发机械制造的巨大变革，对21世纪无疑将会作出更大的贡献。 (源自：航天工业总公司230厂)