CVD金刚石刀具的应用及其前景

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一、主要性能指标

1. -机械性能

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CVD金刚石-刀具机械性能见表1。

由于CVD 金刚石（CVDD）为100%纯金刚石，其晶粒之间的间隙为基团间隙，而PCD是通过添加Co、Ni、Cu等金属结合剂高温高压而成，故二者是有区别的。单晶金刚石其价格昂贵，且受其几何尺寸大小和性能（解理—方向性）的限制，无法大量应用于品种多样的工具。 . M- ~; e$ @2 N6 y5 q

) n# P$ j% L$ q4 `( M8 {3 }( y" U; K" d: O8 b; f- s: B3 ~: H$ { S( W6 f0 g4 B. w1 T7 V& g" P7 }( A2 f |6 E7 U- [! \8 X { }- X: d# n$ [# D3 ^, i+ s/ G! L* e7 e$ y5 x+ l# t) e, R1 G% k; ^2 c6 a( L9 v. g! d' Q* O, N: r* D2 l V" T7 c; e5 a. q, N X6 O+ C$ M3 S. i" n8 O! X' Z6 ?8 |3 V7 S) v% b+ v9 ^3 F0 k2 W, f, u' M, K4 v, Y7 w" ?! N* o; F$ N' {# T1 v: o/ F+ {9 l' o0 { }! y Y/ J( G2 s3 x, A h! K' d+ ?0 m* x6 y$ N& q& ?& K7 r; y3 G; y6 }+ `. s5 h" p. l) B- `# a* b' K6 ?5 `- x4 ^: N R' o# i6 r# a1 f" e) K1 l* `7 l0 r% H9 ^; \+ f* Y+ D/ j2 [0 e' A9 a 表1 机械性能 性能 纯金刚石 CVD金刚石 硬度（kgf/mm2） >8000 >8000 密度（g/cm3） 3.52 3.52 杨氏模量（GPa） >1200 >1000 断裂性（J/M） 10 25 摩擦系数 0.1（相对于钢） 0.1 热导率（W/cm·K） 25 >20 磨耗比 （111方向）>40×104 >30×104 电阻率（Ω·cm） 不导电 1014～1016 化学惰性 常温下不溶于所有酸和碱

# g8 V6 |9 X' ]$ w1 u0 @, I3 a( ?/ x/ p# R& o5 q" N# ~* K' D1 R0 Y# ]$ z( s- D2 ]& v1 Z" o1 m7 V( }2 g, Z7 U4 H7 z1 ~ V4 V- A6 w/ T3 f2 W# @2 Q' [- G9 _5 O3 ?! @ m4 `: W/ ]" E, {3 P: S5 z$ I! e' P5 |# |' J+ [9 w/ N4 @6 K2 F5 Z# W. u& O: |- G1 s. ^' b2 z4 N4 e5 K; r( [1 C; M9 T/ k' j2 N+ ]* k5 m 表2 CVDD与PCD刀具比较 特性 PCD CVDD 材质结构 含Co粘结剂 纯金刚石 耐磨性 随金刚石颗粒大小而变 高于PCD2～10倍 韧性（抗 冲击性） 较好 略差 耐温性 低于500℃，热导率低 高于700℃，热导率高 化学稳定性 低 高 适用性 粗加工、精加工 湿切 不适于加工有机复合材料 精加、半精加、连续切削 湿切、干切 适于加工有机复合材料

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2. CVDD、PCD刀具的性能比较

CVDD、PCD刀具的性能比较见表2。

1. CVDD刀具刀刃强度高，具有接近于单晶金刚石刀具的抗冲击性能，能制作具有各种尺寸的刀具； 2 f" s) _ Y$ t
2. CVDD刀具耐磨性好，耐用度比硬质合金高100 倍以上； 8 a" {9 C' v3 N% S: m+ X: g. f7 k
3. 用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至Ra0.05 µm以下，工件表面可达到镜面；
4. 热导率5～10W/cm·K在干切过程中，可将刀尖的热量及时扩散，减少对工件表面损伤，降低刀具使用温度以及提高刀具寿命。

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二、CVDD刀具在机械加工中的应用

CVDD包括工具（主要是机械加工）、热学应用等方面。目前，CVDD的产品主要有如下几类： + _) w) O& c9 d" K4 h

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1. CVDD普通刀具，高精度刀具；
2. CVDD砂轮修整笔；
3. CVDD拉丝模及成品模具；
4. CVDD新型高压、水射流耐磨喷嘴； / l6 I( ~+ b: A: F8 K8 B
5. CVDD强化木地板加工工具； 9 I# R' R/ J0 F& C/ b
6. CVDD精密轴承支撑器及耐磨器件等。

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CVDD不含任何金属或非金属添加剂，机械性能兼具单晶金刚石和PCD 的优点，又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明，焊接型CVDD工具的使用寿命超过PCD 工具，其抗冲击性优于单晶金刚石膜。因此，CVDD被认为是非铁类材料加工工业中理想的工具材料，如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料的加工等。

1. CVDD刀具用于金属切削加工

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CVDD可用于制作车刀、铣刀、刨刀、趟刀等机械加工刀具。

近两年来，各种型号的金刚石膜车刀、键刀已在国内几十家企业使用，并正向国外推广，其应用情况如下：

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1. 代替硬质合金刀具，工效提高十几倍到百倍，降低了劳动强度，工件加工精度明显提高，表面粗糙度显著降低。
2. 超硬材料和有机复合材料的理想加工刀具； 8 w7 e+ Z. o- N4 w
3. 和PCD 刀具相比，CVDD刀具表面粗造度低，刃口好；
4. 在一些领域可代替天然金刚石刀具。

就国内汽车行业中使用的硅铝合金材料来看，含硅量在12%左右，一方面由于其材质不均匀，有硬点，目前PCD刀具占有绝大部分市场，CVDD的份额微乎其微，如轮毅刀具、槽加工刀具等。另一方面，由于现在的CVDD不导电，而PCD导电的性能，使二者在刀具的制作工艺上存在差别，PCD可用电加工方式加工，而CVDD却不行，若能很好地解决CVDD刀具制作工艺问题，则可与PCD刀具在汽车行业中一争高下。

实践表明，CVDD刀具采用正确的几何角度，经过精研完全能作为有色金属及超硬材料的精密切削刀具，如车削紫铜的电机刀（也称整流子刀）等。曾经做过试验，条件如下：

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1. 刀具：CVDD车刀，刀尖修光刃L=1mm，前角8°，后角8°，主偏角60°，刃口粗糙度Ra0.1µm; 0 J7 E1 w* N+ C5 b
2. 机床：CJ6125 ; 8 P" d ]( e+ k: ?4 g
3. 环境：精密加工实验室； ) K+ P0 U: {5 ]0 J
4. 工件材料：含硅8%的硅铝合金，紫铜；
5. 切削参数：n=1400r/min , f=4mm/min, a_p=0.015mm/r

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在上述试验条件下，车削加工后工件的粗糙度Ra0.012µm ，这是PCD产品所无法达到的。由此可见，CVDD刀具可以达到以车代磨的效果，加工到镜面粗糙度，而其成本远低于天然金刚石（单晶金刚石）刀具。 + f! g0 L" o1 u

2. CVDD用于非金属加工

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CVDD以其高耐磨性，在木工刀具方面也广受欢迎。如时下正热的木地板行业，由于Al₂O₃强化木地板的性能优于三聚氢胺木地板，其耐磨层更坚硬，硬质合金刀具加工Al₂O₃强化木地板已无能为力，必须使用金刚石刀具。两年来的市场调查结果显示，CVDD是优质的木工刀具材料。

对于石材等硬脆材料、玻璃纤维、碳复合材料及有机复合材料的加工，CVDD是理想的刀具材料。 2 x t; C5 i! z2 X" y& J5 G

3. 高精度刀具

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普通刀具材料（如高速钢）和硬质合金材料因受其本身性能（如耐磨性、硬度等）影响，很难达到很高精度，如制版行业用的制版精修刀、首饰行业用的首饰刀（俗称劈花刀）等。这类刀具要求其本身的精度很高和表面粗糙度很低（粗糙度Ra0.05µm ） ，利用高精度研磨机（主轴跳动为0.1µm ） ，制成了表面粗糙度Ra0 .05µm 的CVDD精密刀具，其尺寸精度为5µm，现已用于制版加工和防伪商标加工，效果良好，工件表面粗糙度可达Ra0.012µm 。 & Q& x% A! n) Y% a# E- d( c

目前，CVDD刀具已广泛应用于超精加工、精加工、半精加工和连续切削，耐磨性比PCD刀具高2～10倍，其性能价格比优于其它金刚石刀具。 ' ~& E' T2 |, p6 f( \

据1998年外刊报导，切削用CVDD刀片的市场约为1.5亿美元。 ) C- F" f& u$ ]

三、CVDD刀具的应用前景

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CVDD膜的制造成本图

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1. 据2000年De-Beers公司资料显示，新型的导电型的CVDD即将出现，故CVDD的加工工艺也会发生变化，可能用电加工方式代替传统的激光加工和磨削加工的方式，使其在复杂形状刀具、成形刀具方面广泛应用。另外，涂层金刚石工具的出现及使用，也将推动CVDD在机械加工方面的应用。如国内有上海交通大学的涂层刀具，国外有美国的SP3公司的P1-diamoiid涂层刀具等。
2. 随着CVDD制作成本进一步降低（见附图）在各方面的应用将会越来越广泛。

金刚石材料被誉为21 世纪的材料，在这个超精密加工的时代，应该用好金刚石材料，开发出更多更好的刀具。