天然單晶金剛石



  在當(dāng)前的超精密加工中，金剛石砂輪天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃，其刃口圓弧半徑可以達(dá)到連掃描電子顯微鏡(SEM)也無(wú)法檢測(cè)的程度。據(jù)日本大阪大學(xué)井川直哉教授介紹，最小可達(dá)2～4nm,這是當(dāng)前的最高水平，是通過(guò)切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來(lái)的。1986年日本專門成立了一個(gè)金剛石刀尖評(píng)價(jià)委員會(huì)，來(lái)解決刀尖的測(cè)量問(wèn)題，直至今天仍然沒(méi)有很好解決，只是從0.05um提高到2～4nm。1992年?yáng)|芝機(jī)械的淺井昭一也曾提出過(guò)利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行檢測(cè)的建議，但是并沒(méi)有再報(bào)道過(guò)，我國(guó)華中理工大學(xué)精儀系在1996年報(bào)道了用AFM取得了進(jìn)展，這是可喜的成就。

  金剛石切削工具的刃磨，雖已有不小的成就。但仍然是以經(jīng)驗(yàn)為主，依舊是一個(gè)有待解決的課題。金剛石切削工具的幾何參數(shù)也許是實(shí)踐不足，所以迄今還有待探索。一般其前角為0°，后角為5～6°，其端部有兩種，一是圓弧，另一為直線，后者有時(shí)稱為修光刃，其長(zhǎng)度根據(jù)被加工材料來(lái)選擇。圓弧車刀在切削過(guò)程中的調(diào)整比較簡(jiǎn)單，而平刃的調(diào)整相對(duì)而言是很費(fèi)時(shí)的。如果應(yīng)用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很嚴(yán)格，它精度的優(yōu)劣會(huì)復(fù)印在曲面上。據(jù)資料表明，日本大阪金剛石制作所在數(shù)年前就能達(dá)到R±0.05um,英國(guó)則更高，達(dá)到R±0.02um。

  切削過(guò)程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會(huì)很快磨損。因?yàn)榻饎偸诟邷叵潞蚖、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會(huì)發(fā)生反應(yīng)。



金剛石燒結(jié)體(PCD)



  PCD的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價(jià)格便宜，且刃磨遠(yuǎn)比天然金剛石方便，所以其應(yīng)用、推廣特別迅速。在大量涌現(xiàn)的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可，但含硅量超過(guò)10%,就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達(dá)18%以上，所以非PCD莫屬。

  但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。其粒度、濃度等都會(huì)影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應(yīng)用中也必須根據(jù)被加工材料的種類。硬度等特性來(lái)考慮合理的各種參數(shù)。由于其具有各向同性，耐磨性比較好，加工成拔絲模甚至優(yōu)于天然單晶金剛石。

  PCD在國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)已十分普及，但是質(zhì)量有較大的差異，因此在價(jià)格上出入很大。國(guó)內(nèi)曾用美國(guó)超細(xì)粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密機(jī)床上做了切削試驗(yàn)，曾達(dá)到接近鏡面的表面粗糙度。



立方氮化硼燒結(jié)體(PCBN)



  PCBN是CBN顆粒與結(jié)合劑一起燒結(jié)而成，耐高溫，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無(wú)親和力。從發(fā)展的角度來(lái)看，許多新材料需用PCBN來(lái)加工。比如汽車變速箱的齒輪采用了PCBN的齒輪滾刀，不僅獲得高生產(chǎn)率，且明顯的提高了質(zhì)量，加工面甚至變成了鏡面。據(jù)資料表明，PCBN滾切過(guò)的齒輪表面由于硼的滲入，硬度也變高。這是哈工大的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的。由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無(wú)任何變化且穩(wěn)定，甚至在1300℃時(shí)，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒(méi)有反應(yīng)，更不會(huì)像金剛石那樣急劇磨損，這時(shí)它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過(guò)的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛應(yīng)用于高速或超高速的切削工作上。但是，PCBN不適于切削一般的鋼件，因此。選擇工具時(shí)必須注意。采購(gòu)時(shí)必須考慮到其粒度、濃度。

  PCBN的幾何形狀也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圓弧，以防護(hù)刀尖破損。生產(chǎn)PCBN的廠商不少，國(guó)外主要的有美國(guó)的GE公司、日本的住友電氣(株)、DIJET(黛杰)、英國(guó)的DeBeers等，國(guó)內(nèi)主要有成都工具研究所、貴州第六砂輪廠、桂林地質(zhì)研究所等。



超硬材料涂層切削工具



  金剛石工具CVD、PVD等技術(shù)的出現(xiàn)，是切削工具領(lǐng)域中的一次重大的革命。它的出現(xiàn)立即引起了機(jī)械制造領(lǐng)域的巨大反響，理想的切削工具應(yīng)當(dāng)是既有硬的表面，又有高的韌性，涂層技術(shù)便達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)。

  最早的涂層材料都是陶瓷性質(zhì)的物質(zhì)，如TiN、TiC、Al23O等，近年來(lái)，涂層技術(shù)又有了很大的發(fā)展。超硬材料涂層正在得到全面應(yīng)用，許多產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在市場(chǎng)上，但國(guó)內(nèi)尚處在實(shí)驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)也會(huì)很快突破，超硬材料涂層的發(fā)展，使整個(gè)現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對(duì)當(dāng)前大量涌現(xiàn)的難加工材料，這些新發(fā)展的涂層技術(shù)將有巨大的適應(yīng)能力，前景相當(dāng)喜人。

  超硬材料涂層的種類共有三大類，即類金剛石、金剛石和CBN。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的，和PCD與PCBN相比，因不含結(jié)合劑，所以硬度、耐磨性等均有較大的提高。

  金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的，只是薄膜而已，使用時(shí)與陶瓷涂層類同。這里著重介紹類金剛石膜。

  類金剛石碳(Diamond-LikeCarbon,簡(jiǎn)稱DLC)膜具有與金剛石膜相似的優(yōu)異性能，其抗摩擦磨損性能良好，且DLC膜制備工藝日趨成熟，可以在很低的沉積溫度下獲得大面積且表面粗糙度小的DLC膜，而金剛石薄膜則要求較高的沉積溫度(約800℃～1000℃)，因此，許多基體材料受到限制，如高速鋼，而且在大面積上沉積均勻也比較困難，表面也粗糙。因此，DLC膜在許多場(chǎng)合更易獲得應(yīng)用，如可作磁盤的保護(hù)膜。

  在涂層切削工具的使用方面，和陶瓷涂層的一樣，涂層基體也必須作很好的處理。一般基體的硬質(zhì)合金為YG8,其預(yù)處理工藝首先用W1金剛石微粉拋光，再進(jìn)行表面脫鈷15min,脫鈷液為1:3硝酸水溶液，然后在丙酮中超聲波清洗10min。基體在涂復(fù)之前，清洗的工作極為重要。如果是切削工具，在刃磨中必須保證不能退火。