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单晶金刚石刀具制造的关键技术概述

日期: 2019-02-01 11:13:31 作者: 点击数:  

由于金刚石刀具具有硬度高、耐磨性好、热导率大、摩擦系数和热膨胀系数小、化学惰性强等特性,以及经过仔细刃磨后能得到十分锋利的刃口,因而能广泛应用于现代制造领域中有色金属和非金属材料的精密和超精密切削加工。本文对单晶金刚石刀具制造的最关键技术作一概述。

 

由于单晶金刚石各向异性,在不同晶面及不同方向上性能差异很大,正确的选料和定向不仅可简化加工工艺,降低制造成本,而且还可提高刀具刃口质量和使用寿命,充分发挥金刚石刀具的优异性能。

  

1.单晶金刚石的选料

根据金刚石晶体中所含的杂质可分为Ia型、Ib型、IIa型和IIb型四类。一般按金刚石晶体的颗粒大小(重量)、形状、完整程度、透明度、裂纹、包裹体的多少、颜色及其均匀程度作为评定金刚石品质高低的依据。切削刀具用金刚石的质量要求为:晶体完整、形状为十二面体、弧形八面体或过渡形晶体,晶体直径一般不小于4mm,颜色为无色、浅绿、黄棕色等,不允许有裂纹,晶体表面可允许有不大于0.5mm的包裹体和蚀坑,重量为0.73克拉。对于精度要求极高的眼科、脑外科手术刀、激光反射镜等超精密加工刀具,则要从拉丝模I级甚至宝石级原石中选料,最后用偏光显微镜或更精密的仪器选出内应力小的金刚石作为刀具坯料。

人工合成单晶金刚石属Ib型,由于其晶格中氮原子均匀置换了碳原子,减少了氮原子聚集在刃口形成微小崩口的可能性,并且由于晶格均匀畸变,硬度略高于天然单晶金刚石。另外因增加了去除内应力的优化工艺,使之切削性能更为稳定、可靠、离散性更小,出厂时其晶轴方向已精确确定,所以更适宜于切削刀具的制作。缺点是Ib型人造单晶的脆性较大,加工较天然单晶更为困难,需要采用精细的刃磨方法才能获得高质量的刃口。

2.单晶金刚石的定向

对天然单晶金刚石定向的目的不仅是要使刀具具有最长寿命,而且要求后刀面与已加工表面的摩擦及刃口附近解理面的应力最小。单晶金刚石刀具定向应包含前、后刀面置于的晶面和晶体成长的晶轴方向二个方面。研究表明,刀具的定向方案与其在切削过程中的磨损机理有关。金刚石刀具的磨损是一个非常复杂的物理与化学反应过程,不同加工条件和不同加工工件材料,其磨损形式及其所占比例也会不同,磨损速度取决于金刚石在不同材料中的溶解率。磨损形式有机械磨损、热化学磨损和微小崩口等。一般前、后刀面都定在(110100)或(100100)晶面上,(111)晶面的任何方向均不易磨削,应予避开。

晶体定向的方法可分为仪器(例如X射线衍射分析仪)定向和人工目测定向。仪器定向精度高,但价格昂贵。人工目测定向是根据原子晶面的数目及相对位置来确定晶体的晶轴位置与方向。例如八面体晶体,通过三对对称顶点连接而成的三条相互垂直的直线即为晶体的XYZ轴线。八面体的晶面即为(111)面,垂直于轴线磨去其顶点得到八个正方形即为(100)面;与交成其棱边的两个面等角度地磨去棱边,即可得(110)面。

3.单晶金刚石的焊接

由于金刚石具有极高的界面能,焊接性能极差。用机械夹持或镶嵌钎焊的方法固定金刚石一直是传统的加工方法,目前国内仍有相当一部分企业沿袭这种简易方法制造金刚石刀具。因为这种方法夹持金刚石的牢固性差,刀刃极容易在切削中产生不易察觉的微小位移和振动,所以不可能满足超精密镜面切削加工的需要。因此,上世纪七十年代未发现钎焊金刚石的特定条件(高真空环境)和钎焊合金(以钛为活性元素的银基合金)是金刚石刀具制造技术最重要的突破之一。相隔10年后问世的惰性气体保护下钎焊技术(德国Kesel公司Brazing Unit DLA2500)和近年研发的金刚石表面金属化钎焊技术是这一关键技术进步的又一标志。