金剛石因其極高的(de)硬度、耐磨性、高熱導率和與有色金屬的(de)親和性低，被用(yong)于超精密加工(gong)刀具(ju)的(de)制造。

        面對飛速發展的制造業，金剛石刀具為(wei)何能長期(qi)占據精密加工“一把刀(dao)”的關鍵(jian)位置(zhi)？粉體(ti)網(wang)編輯認為(wei)，夠(gou)硬是一個(ge)基礎條件，關鍵(jian)在于(yu)金剛石能不(bu)斷(duan)淬煉自身。通過淬煉，不(bu)斷(duan)完善刀(dao)具(ju)種類、應(ying)用場景，還善于(yu)延長使(shi)用壽命(ming)，深(shen)入微觀世界探(tan)索提升切削性能的技術。

        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(liao)（如鐵、錳、鉻等）。刀具磨損快(kuai)限制了超精密加工(gong)在難加工(gong)材料(liao)加工(gong)領域(yu)的(de)應用。

        HTHP金剛石工具

        高溫(wen)高壓金(jin)剛(gang)石(shi)（HTHP）比(bi)天然(ran)金(jin)剛(gang)石(shi)表現更好，其內部沒有(you)雜(za)(za)質、夾(jia)雜(za)(za)物，而且氮含(han)量(liang)得到控制，為尖端提(ti)供了一(yi)致性(xing)和(he)均勻性(xing)。與天然(ran)金(jin)剛(gang)石(shi)相(xiang)比(bi)，HTHP金(jin)剛(gang)石(shi)具有(you)優越的斷裂強(qiang)度、硬度和(he)導熱性(xing)。

       然(ran)而(er)，HTHP金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石中的(de)裂(lie)紋、內(nei)部氣泡和坑，會(hui)影響刀(dao)具(ju)的(de)精度和表面粗糙度。另外，HTHP金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石合成法(fa)能夠合成大(da)尺(chi)寸的(de)單(dan)晶金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石，但(dan)這(zhe)種方法(fa)的(de)高成本和控制難(nan)度使其難(nan)以推廣。

       CVD金剛石涂層刀具

       與(yu)HPHT金(jin)剛石刀具(ju)相比，CVD金(jin)剛石涂(tu)(tu)層(ceng)刀具(ju)具(ju)有顯著優(you)(you)勢。主要優(you)(you)點包(bao)括CVD能夠控制涂(tu)(tu)層(ceng)沉(chen)積(ji)速率，并在復雜形狀上實現(xian)均勻涂(tu)(tu)層(ceng)。CVD金(jin)剛石涂(tu)(tu)層(ceng)刀具(ju)還具(ju)有硬度高、耐磨(mo)性(xing)好、化學穩定性(xing)強(qiang)的優(you)(you)點，在加(jia)工鋁、硅合金(jin)、金(jin)屬基復合材(cai)料、石墨等難加(jia)工材(cai)料方面發揮著重要作用。

       涂(tu)層材(cai)料(liao)作為化(hua)學屏障和熱(re)屏障，避免了刀具(ju)(ju)與工件(jian)之間的直接(jie)接(jie)觸，減(jian)少(shao)了刀具(ju)(ju)和工件(jian)之間的摩擦(ca)和相互作用，提(ti)升刀具(ju)(ju)的抗(kang)氧化(hua)性能、抗(kang)粘結性能和抗(kang)磨(mo)粒磨(mo)損性能，從(cong)而延(yan)長刀具(ju)(ju)服役壽命、改(gai)善(shan)刀具(ju)(ju)切削性能。

       例如基于摻(chan)(chan)(chan)硼(peng)金(jin)剛(gang)石的(de)(de)卓越性(xing)能，開發(fa)摻(chan)(chan)(chan)硼(peng)納米聚晶(jing)金(jin)剛(gang)石刀(dao)(dao)具（NPD）已成(cheng)為金(jin)剛(gang)石刀(dao)(dao)具研究和(he)開發(fa)的(de)(de)開創性(xing)途徑。摻(chan)(chan)(chan)硼(peng)NPD刀(dao)(dao)具在切割非導電陶瓷(ci)和(he)金(jin)屬時(shi)表現(xian)出優異的(de)(de)耐磨性(xing)。光學玻璃材料(liao)(liao)，凸顯(xian)了其在加工硬脆材料(liao)(liao)方面的(de)(de)巨大(da)潛力(li)。

       對于CVD金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)涂層刀具來(lai)說(shuo)，提(ti)高金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)鍍層的(de)(de)(de)附(fu)著力仍然是一個需要克服的(de)(de)(de)關鍵障礙。研究表明，硼(peng)和鈷可以在界面(mian)形成穩定的(de)(de)(de)相，從而改善金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)層的(de)(de)(de)殘余應力。這(zhe)為提(ti)高金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)材(cai)層與基(ji)體之間的(de)(de)(de)粘結強度提(ti)供了(le)方向。需要注意的(de)(de)(de)是，摻硼(peng)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)刀具的(de)(de)(de)制造過程相對復(fu)雜，需要嚴格控制硼(peng)的(de)(de)(de)摻入濃度、涂層均勻性和附(fu)著力。

       此(ci)外(wai)，通(tong)過表(biao)面(mian)涂(tu)層技術在(zai)刀(dao)(dao)具表(biao)面(mian)涂(tu)覆具有較低摩擦(ca)因數的(軟涂(tu)層)固體潤(run)(run)滑(hua)材(cai)料(如 C、MoS2、WS2、CaF2等)。在(zai)切削過程中(zhong)，固體潤(run)(run)滑(hua)膜會從刀(dao)(dao)具表(biao)面(mian)轉移到(dao)(dao)工件表(biao)面(mian)并形(xing)成轉移膜，使摩擦(ca)發生在(zai)轉移膜與(yu)潤(run)(run)滑(hua)膜之間，從而有效(xiao)減小摩擦(ca)、阻止粘接、降低切削溫度和(he)切削力(li)，最(zui)終(zhong)達到(dao)(dao)減輕(qing)刀(dao)(dao)具磨損和(he)防止積屑(xie)瘤產(chan)生的目的。

       為了更(geng)好地解決難加工材料(liao)難加工的(de)(de)(de)問題，研(yan)究人(ren)員采用不同的(de)(de)(de)可行方(fang)法增(zeng)強金剛石刀(dao)具的(de)(de)(de)性能，在表(biao)面(mian)(mian)涂(tu)層技(ji)術基(ji)礎(chu)上研(yan)究了表(biao)面(mian)(mian)織(zhi)構技(ji)術以及二者的(de)(de)(de)結合技(ji)術微納織(zhi)構涂(tu)層技(ji)術。

       通過(guo)表面織構(gou)技術(shu)在刀(dao)(dao)具(ju)表面制備不同類型的(de)(de)(de)微納織構(gou)，可以改(gai)善(shan)刀(dao)(dao)具(ju)-切(qie)(qie)屑接(jie)觸(chu)面和(he)刀(dao)(dao)具(ju)-工件接(jie)觸(chu)面的(de)(de)(de)摩擦學行為，提升刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)抗(kang)粘附(fu)磨損性能，降低刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)力(li)、切(qie)(qie)削(xue)溫度及刀(dao)(dao)具(ju)-切(qie)(qie)屑接(jie)觸(chu)界面的(de)(de)(de)摩擦因數，從而增強刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)削(xue)能力(li)，延長刀(dao)(dao)具(ju)服(fu)役壽(shou)命。

       通過兩(liang)種(zhong)刀(dao)具(ju)表(biao)(biao)面改性(xing)技(ji)術均可改善刀(dao)具(ju)表(biao)(biao)面的熱、力(li)學(xue)性(xing)能，進而強化切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)效果。田初春等研究表(biao)(biao)明(ming)，通過表(biao)(biao)面織構技(ji)術和表(biao)(biao)面涂層(ceng)技(ji)術在刀(dao)具(ju)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)表(biao)(biao)面置(zhi)入(ru)微納織構和涂層(ceng)可以(yi)顯著(zhu)(zhu)改善切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)性(xing)能；特別是在減小刀(dao)具(ju)磨損、降低切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)力(li)、切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)溫度以(yi)及刀(dao)-屑接觸界面摩(mo)擦因(yin)數等方面具(ju)有顯著(zhu)(zhu)效果。

      多晶金剛石刀具

       單晶(jing)金剛石(shi)是一種非常(chang)昂(ang)貴的(de)材(cai)料，通(tong)常(chang)價格大約是多晶(jing)金剛石(shi)刀具(ju)（PCD）的(de)四倍。廉價的(de)PCD工具(ju)具(ju)有優異(yi)的(de)性(xing)能(neng)，如超硬度(du)（8000HV≈78.4GPa）、高(gao)耐(nai)磨性(xing)和(he)優異(yi)的(de)熱導率(lv)（560·W/m·K）。PCD是一種復(fu)合材(cai)料，通(tong)過(guo)將(jiang)選定的(de)微米(mi)級金剛石(shi)晶(jing)體與(yu)少(shao)量金屬粉末（Co）混合，然(ran)后在高(gao)溫（1400℃）和(he)高(gao)壓（6Gpa）下燒結而成。

       由于PCD韌(ren)(ren)性(xing)有(you)限，大多數工(gong)(gong)業PCD工(gong)(gong)具使用硬(ying)質合金(jin)(jin)作為基材。PCD工(gong)(gong)具含有(you)Co和其他金(jin)(jin)屬粘結劑，這增強了它們(men)的(de)斷(duan)裂(lie)韌(ren)(ren)性(xing)。然而，Co影響PCD本(ben)身的(de)硬(ying)度。此外，Co在高溫下加(jia)速(su)金(jin)(jin)剛石向石墨的(de)轉化。因此，PCD工(gong)(gong)具非常適合半精加(jia)工(gong)(gong)和具有(you)高斷(duan)裂(lie)韌(ren)(ren)性(xing)的(de)工(gong)(gong)具要求。

       結語

       精密加(jia)工還(huan)在飛速(su)發展，金剛石刀具仍需淬煉自身。