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CVD金刚石刀具的应用及其前景
发布日期:2012-4-19
 

一、主要性能指标

1. 性能

CVD金刚石机械性能见表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。
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
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
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

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. CVDD刀具耐磨性好,耐用度比硬质合金高100 倍以上;
  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。

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:
  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;
  5. CVDD强化木地板加工工具;
  6. CVDD精密轴承支撑器及耐磨器件等。
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

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:
  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;
  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:
  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;
  2. 机床:CJ6125 ;
  3. 环境:精密加工实验室;
  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, ap=0.015mm/r
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。

2. CVDD用于非金属加工

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。

3. 高精度刀具

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 。
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。
据1998年外刊报导,切削用CVDD刀片的市场约为1.5亿美元。

三、CVDD刀具的应用前景


    CVDD膜的制造成本图

  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。

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