概述自1955年美国GE公司采用高温高压的方法获得人造金刚石以来，引起了全世界的关注，尤其是对缺乏天然金刚石矿藏的国家。1957年通过高温高压合成了立方氮化硼。(第一财经日报).这些人造材料极大地丰富了材料宝库，尤其有利于刀具的发展。当时，这些材料主要用作机械加工领域的磨料。经过20多年的努力，1977年GE公司成功研制出金刚石烧结体(PCD)和CBN烧结体(PCBN)并制成刀片，进一步拓展了人造超硬材料从磨削到切削的应用。更可喜的是，大尺寸单晶金刚石和单晶立方氮化硼的合成为替代天然金刚石创造了条件。资料显示，在人造单晶钻石中，最大的一颗竟然重达34.2克拉。但其实际应用还需要进一步的研究和探索，目前成本昂贵。人造金刚石在中国的发展也非常迅速。据统计，1993年世界产量为9亿克拉，而中国已达2.1-2.3亿克拉，居世界第一。这说明中国在这一领域潜力巨大。该技术的发展为推动超硬材料在我国的广泛应用创造了前提。化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)技术的突破是刀具发展的一场革命。最初是各种陶瓷材料镀膜，现在是类金刚石膜、金刚石膜、CBN膜镀超硬材料。这种发展使得几乎所有的切削工具都相应地提高了表面硬度。如今，气相沉积技术仍在发展。就金刚石而言，它从薄膜扩展到厚膜，沉积速度从每小时几微米提高到最高每小时0.93毫米。在科技飞速发展的今天，大量新材料涌现，其中相当一部分是高合金钢、高硅铝合金、高强度复合材料，都是难加工材料，如航空航天常用的Inconel718镍基合金。随着超硬材料的发展，这些材料难以加工的状况得到了很大的缓解。目前，工业化国家已迅速将这些新材料的研究成果应用于制造业，从而提高了生产率，尤其是欧美和日本。虽然中国在这方面取得了很大的进步，但在改进和应用方面还有相当大的差距。面对21世纪的挑战，人造金刚石、人造CBN等超硬材料必将发挥巨大作用，人们可以拭目以待。2.超硬材料金刚石的特性和功能。天然单晶金刚石是世界上最坚硬的材料，因此作为磨料和切割工具，其性能无与伦比。以金刚石车刀为例，其刃口圆弧半径可以锐化到连扫描电镜和SEM都检测不到。直到现在，还没有任何材料可以取代它。用于切割时，往往可以直接获得镜面。目前广泛应用于仪器、电子、光学等领域，成为切削工具不可缺少的材料。然而，它的广泛应用受到了阻碍，因为它的高成本和高技能的锐化。超硬材料因其优越的性能，应用领域不断扩大，已从金属加工发展到光学玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等传统加工难以涉足的领域。由于天然单晶金刚石的各向异性，其晶面的硬度变化很大。刀具在刃磨时，选择软面作为刃磨面，硬面作为前刀面或后刀面，为刃磨带来有利条件。由于其各向异性，在使用中必须考虑晶面的合理选择，例如硬度计的砧。在使用中，压入或弹跳用于测量被测材料。但由于工作面硬度不同，结果也不同。当然硬面有利于延长使用寿命。再比如天然钻石做的拉丝模。由于孔的工作面由各种晶面组成，硬度不一致，所以磨损不均匀。同时会对线材的圆形截面造成应力差和硬度不均，影响使用。由于各向同性，烧结金刚石和厚膜金刚石对此类产品非常有利。PCD和PCBN因颗粒和浓度不同，性能也不同，必须合理选择。【接下来】厚膜金刚石是纯金刚石，硬度接近天然金刚石，而PCD和PCDN是用金刚石粉和结合剂混合烧结而成，所以硬度受结合剂影响，硬度不如前者。众所周知，金刚石与铁有亲和力，所以只能用于有色金属和非金属材料，而CBN即使在1000℃的高温下也完全有能力切割黑色金属。它已成为未来难加工材料的主要刀具材料。一般超硬材料是指人造金刚石和人造CBN。这两种材料的共存起到了互补的作用，可以覆盖目前和未来发展的各种新材料的加工，对整个切削领域都是极为有利的。金刚石刀具的高精度磨削需要高超的技巧。为了获得更高精度的切削刃圆弧半径，特别是如果精度小于0.05um，磨床需要具有极高旋转精度的主轴系统。老磨床不适合，多采用空气轴承空作为支撑。磨盘必须在机床上调平，控制端面跳动在0.5um以下，PCD的磨削相对PCBN来说比较容易，因为它的硬度比较低，用金刚石砂轮就可以了。而厚膜金刚石不一样，硬度接近天然金刚石，各向同性，磨削难度大。近来，金刚石刀具的刃磨引起了人们的关注，新的刃磨方案层出不穷，其中引入了许多热化学方法。比如日本东京工业大学吉川的常帆教授就用一块加热到800℃的铸铁板来实现。在加速磨削的假设下，认为磨削工作量的70%在粗磨，因此可以采用热化学方法先去除大部分剩余量，再进行精磨，这样可以大大提高金刚石磨削的效率。3金刚石及超硬材料天然单晶金刚石应用中的注意事项在目前的超精密加工中，天然单晶金刚石的刀具是必不可少的。可以获得极其锋利的刃口，其刃口圆弧半径可以达到连扫描电镜都检测不到的程度。据日本大阪大学Naoya Igawa教授介绍，最小值为2 ~ 4 nm，为目前最高水平。它是通过切割厚度为1nm的芯片来计算的。1986年，日本成立了专门的金刚石刀头评价委员会，解决刀头测量问题。到现在还是没有很好的解决办法，只是从0.05um提高到2 ~ 4 nm。1992年，东芝机械的浅井昭一也提出了使用扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)进行检测的建议，但后来没有再报道。华中科技大学精密仪器系1996年报道AFM取得进展，这是可喜的成就。虽然金刚石刀具的刃磨取得了很大的成就。但还是基于经验，还是一个有待解决的问题。金刚石刀具的几何参数在实际中可能不足，所以还有待探索。一般前角0°，后角5° ~ 6°，有两种端头，一种是圆弧，一种是直线。后者有时被称为抛光刀片，其长度根据被加工的材料来选择。圆形车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整则比较费时。如果应用于高精度的曲面加工，圆弧的磨削要求非常严格，其精度会被复制到曲面上。资料显示，日本大阪钻石制造所几年前就能达到R 0.05um，英国更高，达到R 0.02um，钻石在切割过程中，导热性能极佳，散热快，但要注意切割热量不能高于700℃，否则会发生石墨化，刀具磨损快。在高温下，金刚石会与钨、钽、钛、锆、铁、镍、钴、锰、铬、铂等发生化学反应。烧结金刚石(PCD)的出现【下一篇】PCD已经在很多方面取代了天然单晶金刚石。与天然金刚石相比，PCD的价格更便宜，而且它的刃磨也远比天然金刚石方便，所以它的应用和推广尤为迅速。在大量新兴的新材料中，大部分都是难加工材料，比如广泛用于汽车发动机活塞的高硅铝合金。一般硅含量小于10%的铝合金可以用硬质合金刀具切削，而硅含量大于10%的铝合金只能用PCD切削。目前使用的高硅铝合金硅含量在12%以上，有的已经达到18%以上，所以是PCD。但是，PCD的种类很多，需要合理选择。其粒度和浓度会影响硬度、耐磨性等性能。因此，应用还必须基于加工材料的种类。如硬度，来考虑合理的参数。由于其各向同性和良好的耐磨性，加工的拉丝模甚至优于天然单晶金刚石。PCD的生产在国内外已经非常普及，但是质量差别很大，所以价格差别很大。我国采用美国GE超细晶刀片在SMG325超精密气动精密机床上进行切削试验，表面粗糙度接近镜面。立方氮化硼烧结体(PCBN) PCBN由CBN颗粒和粘结剂烧结而成，耐高温，硬度仅次于金刚石，与黑色金属无亲和力。从发展的角度来看，许多新材料需要用PCBN进行加工。比如汽车变速箱齿轮使用PCBN齿轮滚刀，不仅生产率高，质量也明显提高，加工面甚至变成镜面。根据数据，由于硼的渗入，PCBN滚切齿轮表面的硬度变高。哈工大的实验证实了这一点。由于PCBN耐高温，在大气和水蒸气中900℃以下没有变化和稳定性，即使在1300℃也几乎不与Fe、Ni、Co等发生反应。，不会像钻石那样磨损厉害。此时仍能保持硬质合金的硬度。因此，它不仅能切割淬火钢零件或冷硬铸铁，还能广泛应用于高速或超高速切割。但是，PCBN不适合切割普通的钢铁零件，所以。选择工具时必须小心。购买时，必须考虑它的粒度和浓度。PCBN的几何形状也很特别。一般需要将刃口倒角成-30°或圆弧，防止刀尖受损。PCBN的制造商很多，如美国的GE公司、日本的住友电气、迪杰特、英国的德比尔斯等。、以及成都工具研究所、贵州第六砂轮厂、桂林地质研究所等。在中国。CVD、PVD等超硬材料涂层刀具技术的出现，是刀具领域的一次重要革命。它的出现立即在机械制造领域引起巨大反响。理想的刀具应该既有硬表面又有高韧性，涂层技术实现了这一目标。最早的涂层材料是陶瓷材料，如TiN、TiC、Al2O3等。近年来，涂层技术取得了很大的进步。超硬材料涂层正在全面应用，许多产品陆续上市。但在国内还处于试验阶段，预计很快会有突破。随着超硬材料涂层的发展，现有刀具的整体性能有了明显的提高。面对大量难加工材料的出现，这些新开发的涂层技术将具有很大的适应性，前景相当喜人。超硬涂层有三种，分别是类金刚石碳、金刚石和CBN。这些涂层材料是纯金刚石或纯CBN，所以硬度与沉积材料相同。与PCD和PCBN相比，由于没有结合剂，硬度和耐磨性大大提高。金刚石涂层和CBN涂层的性能和原材料一样，只是薄膜，使用时和陶瓷涂层差不多。这里着重介绍类金刚石碳膜。类金刚石碳(DLC)膜具有类似金刚石膜的优异性能，摩擦磨损性能良好。DLC膜的制备技术日趋成熟，可以在很低的沉积温度下获得大面积、表面粗糙度小的DLC膜。然而，金刚石薄膜需要较高的沉积温度(约800℃ ~ 1000℃)。因此，许多基体材料如高速钢受到限制，此外，很难获得低表面粗糙度的DLC膜。因此，DLC膜更容易应用于许多场合，例如磁盘的保护膜。在使用涂层刀具时，涂层基体必须经过良好的处理，就像陶瓷涂层刀具一样。一般硬质合金胎体为YG8，其预处理工艺是先用W1金刚石粉抛光，然后表面退钴15min，退钴液为1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超声清洗10min。在涂覆基底之前，清洁是非常重要的。如果是刀具，必须保证在刃磨过程中不能退火。因为超硬材料涂层的技术历史还短，还在发展中。相信会像陶瓷镀膜技术一样完美。厚膜金刚石膜的合成技术和应用研究在世界范围内迅速发展，产生了“金刚石膜热”。在过去的十年里，气相合成的方法有二十多种。一般沉积速率仅为每小时1 ~ 2um。如何加快沉积速率一直是一个研究课题。近年来，沉积速率已经发展到100um/h以上，最高可达930 um/h，我们称之为厚膜金刚石。中国东方天地金刚石研究所已成功掌握该技术，最大沉积厚度达到2.3 mm，现已商业化，进入国际先进行列。【接下来】厚膜金刚石不同于PCD，它没有结合剂，是纯金刚石，所以硬度要高很多。与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此将在许多方面取代PCD。拉丝模具会磨损均匀，所以拉丝的质量明显比天然金刚石模具好。如果沉积质量进一步提高，有可能在超精密加工中取代天然金刚石，因此在超精密领域备受关注。总之，金刚石和超硬材料的发展将极大地促进各行业的发展，前景十分广阔。问题与展望每一种刀具材料在发展过程中都会有一些异常，必须不断探索和研究。每种材料都有不同的特性。在使用中，要根据刀具和被加工材料的特点，甚至加工条件，选择合理的加工方法。众所周知，钻石是世界上最坚硬的材料，是作为切削工具的理想材料，所以现在被广泛使用。但与黑色金属有亲和力，在700℃左右会发生石墨化，金刚石的磨损会加快，所以只适合切削有色金属和非金属材料。然而，人们一直在试图打破这个禁区。比如美国LLNL国家实验室的Cassteven教授利用富碳环境直接切割黑色金属，有一定效果；我国哈工大采用液氮喷雾；超低温切割黑色金属。也取得了一定的成效。最近有人认为含有一定量硼的金刚石可以切割黑色金属。总之，近期有可能取得突破。涂覆超硬材料的刀具比涂覆陶瓷的刀具出现的早，但仍有许多问题需要解决，特别是附着力的强弱，直接影响刀具的寿命。陶瓷镀膜也有这样的问题，比如镀膜前刀具的清洗处理；再比如刀具的刃磨，不允许有边缘退火和毛刺，也是用多次镀膜来解决问题。然而，超硬涂层需要新的发展。陶瓷涂层技术的诞生是刀具材料的重要发展，超硬涂层的突破使几乎所有的刀具都向更理想的领域迈进。PCD和PCBN是目前广泛使用的刀具，其技术的发展仍受到关注。比如在国外产品的制造中，毛坯是由WEDM直接切割成指定的形状，而国内的毛坯只能先切割其硬质合金部分，再切割其余部分。这种刀具一般能达到较低的表面粗糙度，但美国GE公司的细晶刀片的应用却能接近镜面，这主要是由于超细晶粒的缘故。界面扩大，可以获得更光滑的切削刃。厚膜金刚石的合成是刀具材料的突破，它的出现将为替代超精密加工中使用的天然金刚石提供更多可能性，不仅因为其性能接近天然金刚石，还因为其成本低廉。它为钻石储量较少的国家展示了良好的前景。在沉积金刚石之前，必须仔细清洗基底。如果是硬质合金，一般用钴基硬质合金，影响金刚石合成时的形核密度。如果密度低，沉积质量明显差，涂层的附着力低。因此，必须采取腐蚀来去除表面层中的钴。当钴沉积在与基体的界面上时，会生成石墨和孔隙等非金刚石物质。大量的碳在钴中扩散，这将是界面上产生裂纹的原因。含钴碳化钨烧结体的热膨胀系数为5× 10-6/~ 6× 10-6/℃,比金刚石的热膨胀系数高3.1×10-6/℃。因此，在℃合成时，冷却到室温会成为残余应力的原因。从这些情况分析，提高沉积在含钴硬质合金上的金刚石的附着力仍然是一个值得探索的课题。最近，日本东京工业大学纪川常帆教授提出，可以用火花烧结法生产不含钴的烧结WC粉末，可以明显提高沉积WC粉末的结合力，沉积金刚石的晶粒尺寸也较小，表明沉积技术正在向更高水平发展。人造大颗粒单晶金刚石有所突破，但成本仍然很高，有待开发。总之，超硬材料的发展必将引起机械制造业的巨大变革，无疑将为21世纪做出更大的贡献。