金剛石因其極高(gao)的硬度、耐(nai)磨性、高(gao)熱導率(lv)和(he)與有色金屬的親和(he)性低，被用(yong)于超精(jing)密加(jia)工刀具(ju)的制造(zao)。

        面對飛速發展的制造業，金剛石刀具為何(he)能(neng)長期占據精(jing)密加工“一(yi)(yi)把刀”的關鍵位置？粉體網(wang)編輯認為，夠硬是一(yi)(yi)個基礎條件，關鍵在于金剛石(shi)能(neng)不斷淬煉自身。通過淬煉，不斷完(wan)善刀具種類、應用場景，還善于延長使用壽命(ming)，深(shen)入(ru)微觀世界探索提(ti)升切削性(xing)能(neng)的技術。

        單晶金剛石刀具

        單晶金剛石工具先前被廣泛用于加工有色金屬，例如鋁、銅和黃金，刀具壽命可達幾千公里。近年來，單晶金剛石刀具一直在加工有色金屬材料，逐漸轉向硬脆材料（如光學玻璃、硅、碳化硅），鐵類材料（如鐵、錳、鉻等）。刀具磨損快(kuai)限(xian)制了(le)超精密加(jia)工(gong)在難加(jia)工(gong)材料加(jia)工(gong)領域的應(ying)用。

        HTHP金剛石工具

        高(gao)溫(wen)高(gao)壓金(jin)剛石(shi)(shi)（HTHP）比天(tian)(tian)然(ran)金(jin)剛石(shi)(shi)表現更好，其內部(bu)沒有雜質、夾雜物，而且氮含量得(de)到控制，為尖端提供了一致性和均勻(yun)性。與天(tian)(tian)然(ran)金(jin)剛石(shi)(shi)相比，HTHP金(jin)剛石(shi)(shi)具(ju)有優越(yue)的斷(duan)裂強度、硬度和導(dao)熱性。

       然而，HTHP金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)中的裂紋、內(nei)部(bu)氣泡和(he)坑，會(hui)影響(xiang)刀(dao)具的精度(du)(du)和(he)表面粗(cu)糙度(du)(du)。另外(wai)，HTHP金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)合成法(fa)能夠合成大尺(chi)寸的單晶金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)，但這種(zhong)方法(fa)的高成本(ben)和(he)控(kong)制難度(du)(du)使(shi)其難以推廣。

       CVD金剛石涂層刀具

       與HPHT金剛石(shi)(shi)刀具(ju)相比，CVD金剛石(shi)(shi)涂(tu)層(ceng)(ceng)刀具(ju)具(ju)有(you)顯(xian)著優(you)勢。主要優(you)點包(bao)括CVD能夠(gou)控制涂(tu)層(ceng)(ceng)沉積速率，并在復雜形狀上實(shi)現均(jun)勻涂(tu)層(ceng)(ceng)。CVD金剛石(shi)(shi)涂(tu)層(ceng)(ceng)刀具(ju)還具(ju)有(you)硬度高、耐磨性好、化學穩定性強的優(you)點，在加工鋁、硅合金、金屬基(ji)復合材料、石(shi)(shi)墨(mo)等難加工材料方面發揮(hui)著重(zhong)要作用。

       涂層材料作為化(hua)學屏障和熱屏障，避免了刀(dao)具與工件(jian)之間的(de)直接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸，減少(shao)了刀(dao)具和工件(jian)之間的(de)摩擦和相互作用，提(ti)升刀(dao)具的(de)抗氧化(hua)性能(neng)、抗粘結(jie)性能(neng)和抗磨(mo)粒磨(mo)損性能(neng)，從而延長刀(dao)具服役壽命、改善刀(dao)具切削性能(neng)。

       例如基(ji)于摻(chan)(chan)硼(peng)金剛石的(de)(de)卓越性(xing)能，開發摻(chan)(chan)硼(peng)納米聚(ju)晶金剛石刀具(ju)（NPD）已成為金剛石刀具(ju)研究和開發的(de)(de)開創性(xing)途徑。摻(chan)(chan)硼(peng)NPD刀具(ju)在(zai)切割(ge)非導電陶瓷(ci)和金屬(shu)時表現出優異的(de)(de)耐磨性(xing)。光(guang)學玻璃材(cai)料，凸顯了其在(zai)加(jia)工硬脆(cui)材(cai)料方面的(de)(de)巨大潛力。

       對于CVD金(jin)剛石涂層(ceng)(ceng)刀(dao)具(ju)來(lai)說，提高金(jin)剛石鍍(du)層(ceng)(ceng)的附(fu)(fu)著力仍然是一個需(xu)(xu)要(yao)克服(fu)的關鍵障礙。研究表明(ming)，硼(peng)和鈷可以在界(jie)面形成穩定的相，從而改善金(jin)剛石層(ceng)(ceng)的殘余(yu)應力。這為(wei)提高金(jin)剛石材層(ceng)(ceng)與基體之間(jian)的粘結強度(du)提供(gong)了方向。需(xu)(xu)要(yao)注意的是，摻硼(peng)金(jin)剛石刀(dao)具(ju)的制造過程相對復雜，需(xu)(xu)要(yao)嚴格控制硼(peng)的摻入濃度(du)、涂層(ceng)(ceng)均勻(yun)性和附(fu)(fu)著力。

       此外，通過(guo)(guo)表(biao)(biao)面(mian)涂(tu)層技術在刀(dao)(dao)具(ju)表(biao)(biao)面(mian)涂(tu)覆具(ju)有較低(di)摩擦因數的(軟涂(tu)層)固體潤滑(hua)材料(如 C、MoS2、WS2、CaF2等(deng))。在切(qie)削過(guo)(guo)程中(zhong)，固體潤滑(hua)膜會從刀(dao)(dao)具(ju)表(biao)(biao)面(mian)轉移(yi)到工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)并形成(cheng)轉移(yi)膜，使摩擦發生(sheng)在轉移(yi)膜與潤滑(hua)膜之間，從而有效減(jian)小(xiao)摩擦、阻止粘接(jie)、降低(di)切(qie)削溫度和切(qie)削力，最終達到減(jian)輕刀(dao)(dao)具(ju)磨損和防止積屑(xie)瘤產生(sheng)的目的。

       為了更好地解決難加(jia)工(gong)材料難加(jia)工(gong)的(de)問題，研究人(ren)員采用(yong)不同的(de)可行方(fang)法增強(qiang)金剛石刀具的(de)性能，在表(biao)面涂(tu)層技(ji)(ji)術(shu)基(ji)礎上研究了表(biao)面織(zhi)構技(ji)(ji)術(shu)以及二者的(de)結合技(ji)(ji)術(shu)微納織(zhi)構涂(tu)層技(ji)(ji)術(shu)。

       通過表(biao)(biao)面(mian)(mian)織構技術(shu)在刀(dao)具(ju)表(biao)(biao)面(mian)(mian)制備不同類型(xing)的(de)(de)(de)微納織構，可(ke)以改善刀(dao)具(ju)-切(qie)屑(xie)接(jie)觸面(mian)(mian)和刀(dao)具(ju)-工件接(jie)觸面(mian)(mian)的(de)(de)(de)摩(mo)擦學(xue)行為，提升刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)抗粘附磨損(sun)性能，降低(di)刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切(qie)削(xue)(xue)力(li)(li)、切(qie)削(xue)(xue)溫度及刀(dao)具(ju)-切(qie)屑(xie)接(jie)觸界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)摩(mo)擦因(yin)數，從而增強刀(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切(qie)削(xue)(xue)能力(li)(li)，延(yan)長刀(dao)具(ju)服役壽(shou)命。

       通過兩種刀具(ju)表(biao)面(mian)改性(xing)(xing)技術(shu)(shu)(shu)均可(ke)改善(shan)刀具(ju)表(biao)面(mian)的熱、力學性(xing)(xing)能，進而強化切削(xue)(xue)效果(guo)。田初春等研究表(biao)明，通過表(biao)面(mian)織構(gou)技術(shu)(shu)(shu)和表(biao)面(mian)涂層(ceng)技術(shu)(shu)(shu)在刀具(ju)切削(xue)(xue)表(biao)面(mian)置入微納織構(gou)和涂層(ceng)可(ke)以顯(xian)著(zhu)改善(shan)切削(xue)(xue)性(xing)(xing)能；特別是在減小刀具(ju)磨損、降低(di)切削(xue)(xue)力、切削(xue)(xue)溫度以及刀-屑接觸界面(mian)摩擦因數等方面(mian)具(ju)有顯(xian)著(zhu)效果(guo)。

      多晶金剛石刀具

       單晶金(jin)剛石是(shi)(shi)一種非常昂貴的(de)(de)(de)材料(liao)，通(tong)(tong)常價格(ge)大約是(shi)(shi)多晶金(jin)剛石刀具(ju)（PCD）的(de)(de)(de)四倍。廉價的(de)(de)(de)PCD工具(ju)具(ju)有優異的(de)(de)(de)性能，如超硬(ying)度（8000HV≈78.4GPa）、高耐磨性和(he)優異的(de)(de)(de)熱(re)導率（560·W/m·K）。PCD是(shi)(shi)一種復合材料(liao)，通(tong)(tong)過將選定的(de)(de)(de)微米(mi)級金(jin)剛石晶體(ti)與少量金(jin)屬粉末(mo)（Co）混合，然后(hou)在高溫（1400℃）和(he)高壓(ya)（6Gpa）下(xia)燒結(jie)而成(cheng)。

       由于PCD韌性(xing)有限(xian)，大多數(shu)工(gong)(gong)(gong)業PCD工(gong)(gong)(gong)具(ju)使用硬(ying)(ying)質(zhi)合金作為基材。PCD工(gong)(gong)(gong)具(ju)含有Co和其(qi)他金屬粘結(jie)劑，這增強了它(ta)們(men)的(de)斷(duan)(duan)裂韌性(xing)。然(ran)而，Co影響(xiang)PCD本身的(de)硬(ying)(ying)度。此外，Co在(zai)高(gao)(gao)溫下加(jia)速金剛石向石墨(mo)的(de)轉化。因此，PCD工(gong)(gong)(gong)具(ju)非(fei)常適合半精(jing)加(jia)工(gong)(gong)(gong)和具(ju)有高(gao)(gao)斷(duan)(duan)裂韌性(xing)的(de)工(gong)(gong)(gong)具(ju)要求。

       結語

       精(jing)密加工(gong)還在飛速(su)發展，金剛石刀具仍需(xu)淬煉(lian)自(zi)身。