超硬刀具材料的本质（二）

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　　单晶金刚石

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　　单晶金刚石可分为天然金刚石(ND)和人工合成金刚石。单晶金刚石用於制作切削刀具必须是大颗粒(质量大於0.1g，最小径长不得小於3mm)。

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　　ND是目前已知矿物中最硬的物质。它本身质地细密，经过精细研磨，刃口半径可达0.01-0.002微米。但ND较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向。由於其使用条件苛刻，加上ND资源有限，价格昂贵，至今使用较少，目前仅用於某些有色金属如铜及铜合金和金、银、铑等贵重金属特殊零件的高速超精密加工，如录相机磁盘、光学平面镜、多面镜、二次曲面镜等。

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　　人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，目前由於高温高压的技术日趋成熟，能够制备具有一定尺寸的人工合成单晶金刚石，De Beers公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达9-10mm，使其在生产中应用迅速发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时，其性能要优於PCD金刚石，不会引起刃口过早钝化。

　　人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)

　　PCD又称金刚石烧结体，是在高温超高压条件下，通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚合成的多晶体材料。其硬度虽低於天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，用作刀具时可以任意取向刃磨，无需像ND必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也很强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的吃刀量(例如在车削或镗削铝合金、黄铜、青铜及其合金时，切削速度为300-1000m/min，进给量为0.05-0.5mm/r，吃刀量可达10mm)，使用寿命一般高於硬质合金(WC基)刀具10-500倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，因此应用广泛，成为传统WC刀具的高性能替代品。

　　PCD的性能与金刚石的晶粒尺寸及结合剂的含量有关。De Beers公司生产的PCD刀片有002、010和025几种，晶粒的平均尺寸分别为2、10和25微米。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口质量稍差，难以制成高精度刀具。相反，用细晶粒PCD制成的刀具、刃口质量好。

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　　为提高PCD刀片的韧性和可焊性，通常将PCD与硬质合金复合做成复合刀片(PCD/CC)，即以硬质合金为基底，在其表面烧结或压制一层0.5-1mm厚的PCD而成。这种复合刀片(又称压层刀片)的抗弯强度与硬质合金基本一致，而工作表面的硬度接近整体PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。PCD/CC常用焊或机夹方式制作刀具。英国Smith公司研制多层金刚石复合片，其顶层金刚石浓度为100%，往下逐步下降，同时硬质合金逐渐增加，到衬底全部为硬质合金。这种复合片的强度高，抗冲击性能好，特别适用於吃刀量大、有冲击载荷的加工使用。日本住友电工公司采用铁基合金作基体，所制造的金刚石复合片钻头因PCD与钢刀体有亲和作用，可保证复合片与刀体的连结更为牢固。

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　　必须指出，PCD刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量均不如ND，同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形，至今还不能方便地制造带断屑槽的可转位PCD刀片和立铣刀等几何形状复杂的产品。

　　聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼复合片(PCBN/CC)

　　PCBN或PCBN/CC制造方法与PCD或PCD/CC相似，是以CBN为原料，经高温高压制成聚晶立方氮化硼或其复合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，抗弯强度可达1.47GPa，可经多次重磨使用。

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　　PCBN的性能与CBN的粒度、含量及结合剂种类有关，按其组织大致可分为两大类∶一类是由CBN晶粒直接结合而成，CBN含量多(70%以上)，硬度高，适用於耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工；另一类是以CBN晶粒为主体，通过陶瓷结合剂(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)烧结而成，这类PCBN中CBN含量少(70%以下)，硬度低，适用於淬硬钢的切削加工。

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