金剛石

金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高、熱傳導(dǎo)性最好的物質(zhì)，與各種金屬、非金屬材料配對(duì)摩擦的磨損量?jī)H為硬質(zhì)合金的1/50～1/800，是制作切削刀具最理想的材料。然而，天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工。刀具用人造大顆粒單晶金剛石盡管目前De Beers公司、住友電工等均已工業(yè)化生產(chǎn)，但還沒(méi)有進(jìn)入大量應(yīng)用階段。

金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對(duì)切下極小斷面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小，摩擦系數(shù)又低，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量高。加工有色金屬時(shí)，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.012μm，加工精度可達(dá)到IT5級(jí)以上。

金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具、金剛石復(fù)合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。人造金剛石是通過(guò)合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上經(jīng)過(guò)高溫、高壓等先進(jìn)工藝燒結(jié)一層約0.5～1μm厚的金剛石，這種材料是以硬質(zhì)合金做基體，其機(jī)械性能、熱傳導(dǎo)性和膨脹系數(shù)都近似于硬質(zhì)合金，基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規(guī)則排列，其硬度和耐磨性在各個(gè)方向都是均勻的。

聚晶金剛石(簡(jiǎn)稱PCD)是由經(jīng)過(guò)篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過(guò)程中，由于添加劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分的結(jié)合橋。金剛石晶體以共價(jià)鍵的結(jié)合形成牢固地嵌于結(jié)構(gòu)橋構(gòu)成的堅(jiān)強(qiáng)骨架中，使PCD的強(qiáng)度和韌性都大大提高，其硬度約為9000HV，抗彎強(qiáng)度為O.21～0.48GPa，導(dǎo)熱系數(shù)為20.9J/cm·sμ℃，熱膨脹系數(shù)為3.1×10-6/℃。現(xiàn)在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)形成的復(fù)合體，即在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層PCD。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm，由于底層為硬質(zhì)合金，焊接方便；又由于PCD結(jié)合橋的導(dǎo)電性，使得PCD便于切割加工成各種形狀，制成各種刀具，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石。

聚晶金剛石(PCD)可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金，硬質(zhì)合金，纖維增強(qiáng)塑料，金屬基復(fù)合材料，木材復(fù)合材料等。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同，對(duì)性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，則刃口質(zhì)量越好。選用晶粒尺寸為10～25μm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅鋁合金，晶粒尺寸8～9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金。超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具。PCD的耐磨性在超過(guò)700℃時(shí)會(huì)減弱，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，會(huì)促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變。PCD有較好的斷裂韌性，可以進(jìn)行斷續(xù)切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。

可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。在切削加工有色金屬時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具。例如：精車活塞環(huán)槽、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓、精車活塞頂面等工序。

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