金剛石工具應用

   

    金剛石工具在有色金屬和耐磨材料的加工應用中，有出色的適應性。

 

    在工具材料中，金剛石是*硬的。在合適的加工條件下，金剛石比高速鋼、硬質合金、陶瓷以及聚晶立方氮化硼的使用壽命都長。它也有不足之處，就是一般不適用于黑色金屬材料的加工。但在高速大批量生產中，加工諸如鋁和石墨等材料，金剛石往往是*有效的工具。

 

    在使用金剛石工具時，用戶可以有兩種選擇：一種是聚晶金剛石（pcd），另一種是較新的化學氣相沉積（cvd）金剛石。

 

    使用性能早經證實

 

    聚晶金剛石具有天然金剛石的硬度、強度和抗磨性，但沒有天然金剛石對破損的敏感性。它是在高溫、高壓下，由人造金剛石顆粒聚合而成。在工藝過程中，形成聚晶的顆粒同時被整體粘接到一塊硬質合金基體上，以提高機械強度和抗沖擊性能。

 

    按照ge公司超級磨料部的說法，pcd很適用于鋁的高速切削，特別適于須達到良好表面粗糙主的場合，它在加工高耐磨性材料時，也表現出優異的性能。通常，pcd推薦用于切削高硅鋁合金，也用于黃銅、紫銅、青銅以及碳化物的加工。使用的工序包括車、鏜、仿形、切槽、銑和孔加工等。

 

    由于金剛石和鐵之間化學作用，一般來說pcd不適用于加工黑色金屬材料。但是它能對付雙金屬材料的加工，包括鋁和鑄鐵的組合在內。例如：某汽車零件供應商在加工鋁和鑄鐵雙金屬汽缸體時，使用直徑305mm的刀夾式面銑刀，刀尖圓弧2.36mm，帶修光刀，切削速度304.8m/min，進給0.10mm/齒，切深5mm，加工達5000個汽缸體后，刀片才需轉位一次。

 

    ge公司的應用規劃經理認為pcd的應用，受到了大批量生產工業界，主要是汽車工業日益提高鋁件加工速度的推動。與此同時，汽車制造商為了減輕重量和降低費用，正在就采用金屬基體的復合材料進行評估，而這類材料都要用pcd來加工。他說：“這類材料不能用硬質合金刀具加工。”

 

    聚晶產品生產經理稱，盡管pcd的發展成就已給人以十分深刻的印象，但ge公司超級磨料部仍持續不斷地工作，以求進一步改善其抗磨性。

 

    pcd工具在應用范圍和生產效率方面，都為加工過程帶來諸多好處。盡管金剛石在現有材料中是*硬的，其材料特性和韌性等問題仍須進一步研究。改善pcd韌性的一個因素是，加鈷元素使其進入隨機不定向排列的金剛石晶粒之間。此外，硬質合金基體對金剛石磨料層也能起機械支承作用，從而增加了抗沖擊能力，并在工具制造中便于釬焊。

 

    pcd的另一個好處是，現有的各種牌號系列已能滿足任何有色金屬加工使用的需要。一般說來，細顆粒金剛石用于被加工材料的耐磨性較低而表面粗糙度要求非常高的場合；中顆粒金剛石一般作為機械加工的通用牌號；粗顆粒金剛石用于粗加工特別抗磨的材料，但表面粗糙度要求不高之處。

 

    金剛石家族的新成員

 

    化學氣相沉積（cvd）金剛石，是一種高抗磨性的純金剛石材料，不含粘接劑。金剛石沉積分為兩種形式：一種是厚膜金剛石，沉積成整體的、單獨的薄片，然后切割成所需尺寸；另一種是薄膜金剛石，沉積在硬質合金刀片或回轉式刀具上。

 

    迄今為止，cvd金剛石*有前景的用途是加工石墨。但是，norton diamond film公司卻正在出售各種用途的cvd金剛石用于加工有色金屬、塑料和復合材料。norton公司的應用技術經理認為，cvd金剛石幾乎適用于全部有色金屬。在高硅鋁合金的斷續切削以及預燒結硬質合金、黃銅、紫銅和碳纖維材料的加工中，正在取得良好的結果。norton公司還相信：cvd金剛石在加工很寬范圍的鋁合金材料（包括6061及其他）時，能夠和pcd旗鼓相當。

 

    norton公司應用技術經理還認為，cvd金剛石和pcd相比，主要優點在切削刃的品質。雖然cvd也是聚晶，但它不含鈷粘結劑，是純金剛石，所以切削刃是連續的。這樣就能采用有較高的切削速度并獲得較好的表面粗糙度，因為刀具不易變熱。他還堅信，積屑瘤對cvd金剛石不構成問題。

 

    按norton公司的資料，cvd金剛石的導熱性比pcd高50%。其原因是cvd刀片為整體金剛石，可以立即把熱量導出。而pcd刀片的熱傳導要穿過鈷-金剛石復合體，導熱性就差一些。

 

    cvd金剛石還具有較低的摩擦系數。硬質合金和pcd都會粘結工件材料，cvd金剛石則不粘。與此同時，低摩擦系數還使cvd金剛石刀具能承受較大的切削負荷，從而使切削更快速、更有效。

 

    cvd金剛石在使用中呈現熱穩定性和化學穩定性。而pcd和硬質合金在這方面就受到含有金屬成分粘結劑的影響。把cvd金剛石放進鹽酸里，什么都不會發生。但若把pcd金剛石放進去，酸會吃掉鈷金剛石工具粉末。這就意味著cvd金剛石能經受住某些材料在加工中生成酸的侵襲，例如酚醛樹脂、尿脘橡膠、降碳酸酯等。

 

    雖然所有形態的金剛石（包括pcd）在高溫時都要和黑色金屬或超級合金中的一些成分發生化學反應，但是眾所周知，對多數材料而言金剛石仍具有化學惰性。pcd和硬質合金因為含有鈷金剛石工具粉末，切削溫度高時會發生化學穩定性降低現象。cvd金剛石不含金剛石工具粉末，就避開了這種現象。此外，cvd金剛石還有良好的潤滑性和導熱性，使它具備了在高速和干式切削中使用的關鍵優勢。

 

    cvd金剛石*后一項優點是：即使在切削溫度很高時，仍保持高硬度和耐磨性。norton公司的應用技術經理nagy指出：“因為沒有松軟的鈷包著金剛石，所以刀片硬度均勻一致。”

 

    光明的前景

 

    ge公司超級磨料部和nortondiamondfilm公司都認為：目前很多生產現場沒有充分發揮金剛石的優勢。原因是現在很多機床的速度和扭矩，都不足以保證刀具高效率運轉。

 

    除了機械方面的問題以外，還有一個困難問題是要說服生產工廠的人們，不要光盯著金剛石（pcd或cvd金剛石）的初置價格，而要看到它帶來的成本節約和性能改善的好處。你可以讓金剛石比常規刀具在更高的轉速下運行（視機床性能而定），從而提高產出量。同時，換刀次數也較少。假定金剛石比硬質合金壽命高50倍～100倍，你就不必經常停機了。