金刚石

金刚石是目前已知矿物材料中硬度最高、热传导性最好的物质，与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的1/50～1/800，是制作切削刀具最理想的材料。然而，天然单晶金刚石仅用于制作首饰及某些有色金属的超精密加工。刀具用人造大颗粒单晶金刚石尽管目前De Beers公司、住友电工等均已工业化生产，但还没有进入大量应用阶段。

金刚石刀具的切削刃非常锋利(这对切下极小断面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小，摩擦系数又低，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量高。加工有色金属时，表面粗糙度可达到Ra0.012μm，加工精度可达到IT5级以上。

金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金刚石复合刀具。天然金刚石刀具由于成本较高等原因，在实际生产中应用较少。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上经过高温、高压等先进工艺烧结一层约0.5～1μm厚的金刚石，这种材料是以硬质合金做基体，其机械性能、热传导性和膨胀系数都近似于硬质合金，基体上的人造多晶金刚石磨料中的金刚石晶体呈不规则排列，其硬度和耐磨性在各个方向都是均匀的。

聚晶金刚石(简称PCD)是由经过筛选的人造金刚石微晶体在高温高压下烧结而成。在烧结过程中，由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等为主要成分的结合桥。金刚石晶体以共价键的结合形成牢固地嵌于结构桥构成的坚强骨架中，使PCD的强度和韧性都大大提高，其硬度约为9000HV，抗弯强度为O.21～0.48GPa，导热系数为20.9J/cm·sμ℃，热膨胀系数为3.1×10-6/℃。现在使用的聚晶金刚石刀具大多是PCD与硬质合金基体烧结形成的复合体，即在硬质合金基体上烧结上一层PCD。PCD的厚度一般为0.5mm和0.8mm，由于底层为硬质合金，焊接方便；又由于PCD结合桥的导电性，使得PCD便于切割加工成各种形状，制成各种刀具，成本远远低于天然金刚石。

聚晶金刚石(PCD)可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金，硬质合金，纤维增强塑料，金属基复合材料，木材复合材料等。PCD刀具材料中金刚石晶粒平均尺寸不同，对性能产生的影响也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，则刃口质量越好。选用晶粒尺寸为10～25μm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅铝合金，晶粒尺寸8～9μm的PCD加工Si含量小于12%的铝合金。超精密加工，则应选用晶粒尺寸小的PCD刀具。PCD的耐磨性在超过700℃时会减弱，因其结构中含有金属Co，会促进“逆向反应”即由金刚石向石墨转变。PCD有较好的断裂韧性，可以进行断续切削，可以以2500m/min的高速端铣Si含量10%的铝合金。

可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。在切削加工有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍，是目前铝活塞精密加工的理想刀具。例如：精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精车活塞外圆、精车活塞顶面等工序。

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