超硬刀具材料研究的进展

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天然和合成单晶金刚石 
    天然和人工合成的单晶金刚石一般是按照应用领域进行产品分类，它们都能用作切削刀具、修磨机和拉丝模具。它们都被设计成为用于对表面光洁度、几何形状和尺寸有较高要求的精密加工应用领域。单晶金刚石刀具切削的工件表面呈连续状，而聚晶金刚石刀具切削的工件表面呈现出微米量级的不连续状态，工件表面的状况或多或少与金刚石刀具材料的晶粒尺寸有关，尽管对工件和加工刀具的精密特性需进行认真考虑，但有一个总的原则，那就是要求金属表面光洁度优于0.025μm的情形需用单晶金刚石刀具和具有高刚性和高质量支架的机加工工具。 
    天然金刚石早已被证明可成功应用于这些领域。然而，当前高温高压技术的发展使得制备出具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石成为可能，目前最大尺寸可达8mm。采用高压技术制备金刚石的典型例子是De Beers MONODITE系列。人工合成单晶金刚石刀具的粗坯是沿着平行于1b型合成金刚石的(1 0 0)面或沿一个厚2mm边缘长度达8mm的薄片所提供的平面锯开所制得。这种工程材料的优点在于其尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，这在天然产品中是不可能实现的。另外各种尺寸尤其是大尺寸天然金刚石的缺乏、不同金刚石品质的区别以及对金刚石的选择、取向和刀具尖端的预处理等专业技巧的要求都对天然金刚石的价格因素产生重要影响，从而大大限制了它在更广泛领域的应用。当前人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的发展。 
聚晶金刚石(PCD) 
    金刚石刀具的应用已迅速扩展到许多制造工业领域，尤其是在汽车和木材加工工业，成为传统的WC刀具的高性能替代产品。作为一种公认价格低廉且可用刃口长度达70mm的产品，PCD的应用发展速度很快。 
    PCD 的性能主要依赖于它的应用场合所涉及的加工过程，但选择适当的牌号或晶粒尺寸也会对其性能产生影响。标准牌号包括002，010和025三种，它们初始晶粒平均尺寸分别为2、10、25μm。总的来说，牌号越大，其耐磨性越好；在相接近的刃口加工量下，牌号越小，其刃口质量越好。 
金刚石刀具在层状木材地板加工中的应用 
    近年来，人工合成单晶金刚石的一个新应用领域是木材加工业，这主要是它具有高度耐磨性。PCD刀具在木材加工中早已应用于MDF和粗纸板的机械加工，当前对表面有氧化铝涂层的高度耐磨层状木地板的需求量越来越大，但是在研磨这种木板边缘时对包括PCD在内的刀具提了特殊的要求，因为木板耐磨层会引起刃口的钝化，导致氧化铝耐磨层的碎裂。所以刀具必须经常修整，直至重新研磨或更换，这势必导致很长的停工时间。据报道，在该领域应用时，人工合成单晶金刚石的性能优于PCD。 
化学气相沉积金刚石 
    PCD、PCBN和人工合成单晶金刚石均是在高温和高压下合成的，而CVD金刚石是在低压下制备的。碳基气体和氢气的混合物在高温和低于大气压的压力下分解形成金刚石沉积在基体上。沉积出的是交互生长极好的聚晶金刚石，它呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同，CVD金刚石也呈现出不同的晶粒尺寸和结构。CVD金刚石不需金属催化剂，因此它的热稳定性接近天然金刚石。