金刚石工具的应用

金刚石工具在有色金属和耐磨材料的加工和应用中具有优异的适应性。在工具材料中，金刚石是最硬的。在合适的加工条件下，金刚石的使用寿命比高速钢、硬质合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼都要长。它也有缺点，就是一般不适合加工黑色金属材料。然而，在高速大规模生产中，金刚石往往是加工铝和石墨等材料的最有效工具。在使用金刚石工具时，用户可以有两种选择：一种是聚晶金刚石(PCD)，另一种是更新的化学气相沉积(CVD)金刚石。已经证明聚晶金刚石具有天然金刚石的硬度、强度和耐磨性，但对天然金刚石的破碎不敏感。它是由人造金刚石颗粒在高温高压下聚合而成。在该方法中，多晶颗粒整体结合到硬质合金基底上，以提高机械强度和抗冲击性。按照GE公司超级磨料部门的说法，PCD非常适合铝的高速切割，尤其是表面粗糙度好的场合。在加工高耐磨材料时也表现出优异的性能。一般情况下，推荐使用PCD切割高硅铝合金，也可用于加工黄铜、紫铜、青铜和硬质合金。使用的工序包括车削、镗削、仿形、开槽、铣削和孔加工。一般来说，由于金刚石和铁之间的化学作用，PCD不适合加工含铁材料。但它可以处理双金属材料的加工，包括铝和铸铁的结合。例如，某汽车零部件供应商加工铝铸铁双金属缸体时，使用直径305mm的刀夹式面铣刀，刀尖圆弧2.36mm，抛光刀，切削速度304.8m/min，进给量0.10mm/齿，切削深度5mm，仅加工5000个缸体，刀片就需要分度一次。GE的应用规划经理认为，PCD的应用是由量产行业(主要是汽车行业)铝件加工速度的不断提高所推动的。与此同时，为了降低重量和成本，汽车制造商正在评估金属基复合材料，这些材料都需要进行PCD加工。他说：“这种材料用硬质合金工具是加工不出来的。”据多晶产品的生产经理介绍，尽管PCD的发展成就已经非常可观，但GE公司的超级磨料部门仍在继续努力，以进一步提高其耐磨性。PCD刀具在应用范围和生产效率方面给加工过程带来很多好处。虽然金刚石是现有材料中最硬的材料，但其材料特性和韧性仍需进一步研究。提高PCD韧性的因素之一是添加钴使其进入随机和非定向排列的金刚石颗粒之间。此外，硬质合金基体还可以对金刚石磨料层起到机械支撑作用，从而提高抗冲击性，有利于工具制造中的钎焊。PCD的另一个优势是现有品牌系列可以满足任何有色金属加工的需要。一般来说，细粒金刚石用于被加工材料耐磨性低，表面粗糙度很高的场合；中粒金刚石一般作为机械加工的通用品牌；粗金刚石用于特殊耐磨材料的粗加工，但对表面粗糙度要求不高。化学气相沉积(VCD)金刚石是金刚石家族的新成员，是一种高耐磨、无粘结剂的纯金刚石材料。金刚石沉积分为两种形式：一种是厚膜金刚石，沉积成整体和个体切片，然后切割成所需尺寸；另一种是薄膜金刚石，沉积在硬质合金刀片或旋转刀具上。迄今为止，CVD金刚石最有前途的应用是加工石墨。然而，NortonDiamondFilm公司正在销售用于加工有色金属、塑料和复合材料的各种用途的CVD金刚石。诺顿的应用技术经理认为，CVD金刚石适用于几乎所有的有色金属。高硅铝合金的断续切削和预烧结cem的加工取得了良好的效果

诺顿还认为，CVD金刚石在加工多种铝合金材料(包括6061等)时，可以与PCD相匹配。诺顿的应用技术经理也认为，CVD金刚石相对于PCD的主要优势在于刃口质量。CVD虽然也是聚晶，但是不含钴结合剂，是纯金刚石，所以切削刃是连续的。这样可以达到更高的切削速度和更好的表面粗糙度，因为刀具不易发热。他还坚信碎片肿瘤不会对CVD金刚石造成问题。据诺顿介绍，CVD金刚石的热导率比PCD高50%。原因是CVD刀片是整体金刚石，可以立即将热量导出。然而，PCD刀片的导热性很差，因为它必须穿过钴-金刚石复合材料。CVD金刚石还具有低摩擦系数。硬质合金和PCD可以粘结工件材料，CVD金刚石不行。同时，低摩擦系数也使CVD金刚石工具能够承受更大的切削载荷，从而使切削更快、更有效。CVD金刚石在使用中表现出热稳定性和化学稳定性。在这方面，PCD和硬质合金受到包含金属成分的粘结剂的影响。把CVD金刚石放在盐酸里，什么都不会发生。但是如果放入PCD金刚石，酸会侵蚀钴键。这意味着CVD金刚石可以承受某些材料在加工过程中产生的酸的侵蚀，如酚醛树脂、脲醛橡胶、还原碳酸盐等。尽管所有形式的金刚石(包括PCD)在高温下都会与黑色金属或超级合金的某些成分发生化学反应，但众所周知，金刚石对大多数材料仍然是化学惰性的。由于PCD和硬质合金含有钴结合剂，切削温度高时化学稳定性会降低。CVD金刚石不含结合剂，避免了这种现象。此外，CVD金刚石具有良好的润滑性和导热性，这使其在高速和干切削中具有关键优势。CVD金刚石的最后一个优点是，即使在高切削温度下，它也能保持高硬度和耐磨性。诺顿的应用技术经理纳吉(Nagy)指出：“由于没有镀有钻石的软钴，所以刀片的硬度是均匀的。”光明的前景

除了机械方面的问题以外，还有一个困难问题是要说服生产工厂的人们，不要光盯着金刚石（PCD或CVD金刚石）的初置价格，而要看到它带来的成本节约和性能改善的好处。你可以让金刚石比常规刀具在更高的转速下运行（视机床性能而定），从而提高产出量。同时，换刀次数也较少。假定金刚石比硬质合金寿命高50倍~100倍，你就不经常停机了。