金剛石在機械加工中的應用

李程輝

（鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001）

1 前言

隨著航天、汽車、軍工等機械制造業的迅速發展，從黑色金屬、有色金屬到復合材料、高分子材料以及納米材料，新材料不斷涌現。普通的高速鋼和硬質合金等已不能滿足這些材料日益苛刻的機械加工要求，從而對刀具材料提出了新的更高的要求。由于金剛石有著優良的性能品質，隨著金剛石的人工生產日益成熟和人們對金剛石研究的愈加深入，金剛石在刀具材料方面得到了愈加廣泛的應用。

2 金剛石

金剛石分為兩類：天然金剛石和人造金剛石，天然金剛石由于資源有限，價格昂貴等原因，多用于首飾。在機械加工中應用的大部分是人造金剛石。

2.1 金剛石的人工生產

人造金剛石的生產可以追溯到上世紀50年代，1955年，美國GE公司通過高溫高壓（HTHP）法，人工合成了單晶金剛石。合成的HTHP金剛石因需要較高的能量，成本較高，而添加的催化劑也給人造金剛石引入了雜質。近年來，隨著化學氣相沉積（CVD）工藝的發展，人類制備出CVD金剛石，在成本、合成條件及金剛石的質量上都有很大的優勢，推動了金剛石在機械加工中的應用。

2.2 金剛石的優良性質

2.2.1 高的硬度和耐磨性。金剛石的顯微硬度高達10000HV，是目前已知的最硬物質，其耐磨性和研磨能力超過了所有的磨削材料。

2.2.2 較低的摩擦系數。金剛石作為刀具時，切削刃非常鋒利，刃部粗糙度小，降低了切削力和切削溫度。

2.2.3 高的導熱率、低的熱膨脹系數。金剛石的導熱率是已知材料中最高的，故在切削加工過程中，有利于切削熱的散出，降低切削溫度。金剛石的熱膨脹系數隨溫度變化而變化，一般在1.5×10^-6～4.8×10^-6/℃。低的熱膨脹系數有利于保證加工精度。

3 金剛石在機械加工中的應用

3.1 作為切削刀具

金剛石作為切削刀具的優點是高硬度、高耐磨性，能夠加工超硬材料。由于金剛石本身的硬度非常大，可以獲得高精度的刀尖圓弧半徑，提高加工質量，因而廣泛用于精加工、半精加工。金剛石刀具能夠直接對淬硬工件進行加工，可以實現“以車代磨”、“以車代銑”等，從而減少工序，縮短工藝流程，降低加工成本，提高勞動生產率。而且金剛石對鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬進行切削加工時，由于摩擦系數低、導熱率高，可實現對其進行高速度、高精度、高效率、高質量的加工。金剛石刀具的切削速度遠高于硬質合金刀具。用金剛石的車刀車削鋁合金切削速度可達到5000m/min，而且刀具耐用度也可較硬質合金刀具提高幾十倍乃至上百倍。

3.2 用于磨具及磨料

磨削作為目前獲得高精度、高表面質量最常用的主要加工方法，其磨料的選擇尤為重要。人造金剛石比天然金剛石略脆一些，顆粒較粗，表面較粗糙，易于作砂輪。由于金剛石為最硬的磨料，能夠長時間保持鋒利性，不易磨鈍，磨削效率高。而且摩擦系數小，較少產生粘結磨損，再加上導熱系數大，不易發生磨削燒傷。因此，金剛石作為磨料得到了極大的重視和廣泛的應用。

3.3 金剛石涂層刀具

CVD、PVD等技術的發展，是切削工具領域中的一次重大革命，從而涂層刀具得到大規模應用。涂層刀具既有表層的高硬度，又保持了原基體的韌性，是理想的切削工具。

常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等，近年來，金剛石涂層正得到全面推廣。應用較廣的是鎢硬質合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層，其金剛石涂層厚度不宜超過10μm。現在又有一種“厚膜金剛石”，它是純度非常高、非粘接劑的整體金剛石。典型厚度為150～1000μm，硬度更高，不同于天然金剛石的是，它各向同性，作為刀具磨損均勻。而且隨著科技的進步，金剛石涂層的許多技術難題將得到更好的解決，其市場前景廣闊。

3.4 修整刀具

金剛石作為修整刀具主要用于磨削砂輪。砂輪在使用一段時間后，其磨削刃因磨損而變鈍，磨粒之間的氣孔容易被工件磨屑糊塞，從而使磨削效率降低，且容易發生磨削燒傷。因此，要對砂輪表面進行修整，對于硬度較大的砂輪，尤為重要。砂輪常用磨料為剛玉和碳化硅，它們硬度都非常高，一般材料難以對其修整。而硬度更高的金剛石足以勝任，能從磨削砂輪表面去除磨鈍的磨料顆粒。金剛石砂輪修整工具的主要形式有修整筆、砂輪刀、修整器等，應用時根據不同的砂輪形式進行合理選擇。

3.5 其他

金剛石在軟彈性磨具的應用方面也得到了發展；納米金剛石作為添加劑，加入到磨合油中，提高了磨合效率，縮短了磨合時間；而且，金剛石在拋光液的制備中也應用廣泛。

4 存在的問題

任何一種材料作為切削工具都不可能十全十美，金剛石也不例外。用金剛石加工鐵族金屬是眾多機械研究人員的共同希望，因為金剛石與鐵族元素有很強的親和力，且在700℃附近容易石墨化。由于金剛石的硬度問題，金剛石刀具的刃磨存在較大的難度；作為切削部分，在和刀具的基體部分焊接時，焊接的牢固性需要加強；用作涂層刀具時，防止涂層剝落、產生裂紋都是需要解決的問題。這些問題在一定程度上制約了金剛石在機械加工中的應用。但是，隨著研究的深入，大部分問題已找到了較好的解決方案，而且在日后的發展中，將不斷完善。

5 結語

金剛石在機械加工領域的應用，使眾多難加工材料的工藝過程得以實現或簡化，大大提高了生產效率。隨著研究的深入和相關難題的攻克，金剛石在機械加工領域的地位將逐步提高，應用范圍也將進一步擴大。

[1]陳日曜.金屬切削原理.北京：機械工業出版社，2002.1