金剛石的物理性能介紹

金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體，其晶體結(jié)構(gòu)屬于等軸面心立方晶系（一種原子密度*高的晶系）。由于金剛石中碳原子間的連接鍵為sp3雜化共價(jià)鍵，因此具有很強(qiáng)的結(jié)合力、穩(wěn)定性和方向性。它是目前自然界已知的*硬物質(zhì)，其顯微硬度可達(dá)10000HV,其它物理特性見以下內(nèi)容。

金剛石的物理性能講解

物理性能-數(shù)值

硬度-60000~100000MPa,隨晶體方向和溫度而定

抗彎強(qiáng)度-210~490MPa

抗壓強(qiáng)度-1500~2500MPa

彈性模量-（9~10.5）×10的12次方MPa

熱導(dǎo)率-8.4~16.7J/cm?s?℃

質(zhì)量熱容-0.156J/（g?℃）（常溫）

開始氧化溫度-900~1000K

開始石墨化溫度-1800K（在惰性氣體中）

和鋁合金、黃銅間的摩擦系數(shù)-0.05~0.07（在常溫下）

加工方法

二十世紀(jì)七十年代后期，在激光核融合技術(shù)的研究中，需要大量加工高精度軟質(zhì)金屬反射鏡，要求軟質(zhì)金屬表面粗糙度和形狀精度達(dá)到超精密水平。如采用傳統(tǒng)的研磨、拋光加工方法，不僅加工時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、操作難度大，而且不易達(dá)到要求的精度。因此，亟需開發(fā)新的加工方法。在現(xiàn)實(shí)需求的推動(dòng)下，單晶金剛石超精密切削技術(shù)得以迅速發(fā)展。

優(yōu)勢(shì)

由于單晶金剛石本身的物理特性，切削時(shí)不易黏刀及產(chǎn)生積屑瘤，加工表面質(zhì)量好，加工有色金屬時(shí)，表面粗糙度可達(dá)Rz0.1~0.05μm.金剛石還能有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、未燒結(jié)硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和各種耐磨木材（尤其是實(shí)心木和膠合板、MDF等復(fù)合材料）。

天然單晶金剛石刀具的刃磨特點(diǎn)

超精密加工中，單晶金剛石刀具的兩個(gè)基本精度是刀刃輪廓精度和刃口的鈍圓半徑。要求加工非球面透鏡用的圓弧刀具刃口的圓度為0.05μm以下，加工多面體反射鏡用的刀刃直線度為0.02μm;刀具刃口的鈍圓半徑（ρ值）表示了刀具刃口的鋒利程度，為了適應(yīng)各種加工要求，刀刃刃口半徑范圍從20nm~1μm.

單晶金剛石刀具的晶面選擇

金剛石晶體屬于平面立方晶系，由于每個(gè)晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之間距離的不同，造成天然金剛石晶體的各向異性，因此金剛石不僅各晶面表現(xiàn)的物理機(jī)械性能不同、其制造難易程度和使用壽命都不相同，各晶面的微觀破損強(qiáng)度也有明顯差別。金剛石晶體的微觀強(qiáng)度可用Hertz試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定，由于金剛石是典型的脆性材料，其強(qiáng)度數(shù)值一般偏差較大，主要依賴于應(yīng)力分布的形態(tài)和分布范圍，因此適合用概率論來(lái)分析。當(dāng)作用應(yīng)力相同時(shí)，（110）晶面的破損概率*大，（111）晶面次之，（100）晶面產(chǎn)生破損的概率*小。即在外力作用下，（110）晶面*易破損，（111）晶面次之，（100）*不易破損。盡管（110）晶面的磨削率高于（100）晶面，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，（100）晶面較其它晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐蝕和熱退化能力。結(jié)合微觀強(qiáng)度綜合考慮，用（100）面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口，不易產(chǎn)生微觀崩刃。

通常應(yīng)根據(jù)刀具的要求來(lái)進(jìn)行單晶金剛石刀具的晶面選擇。一般來(lái)說(shuō)，如果要求金剛石刀具獲得*高的強(qiáng)度，應(yīng)選用（100）晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗機(jī)械磨損，則選用（110）晶面作為刀具的前、后刀面；如果要求金剛石刀具抗化學(xué)磨損，則宜采用（110）晶面作刀具的前刀面，（100）晶面作后刀面，或者前、后刀面都采用（100）晶面。這些要求都需要借助晶體定向技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

金剛石刀具的定向方法

目前，晶體定向主要有三種方法：人工目測(cè)晶體定向、激光晶體定向和X射線晶體定向。

人工目測(cè)晶體定向

該方法是根據(jù)天然晶體外部幾何形狀、表面生長(zhǎng)、腐蝕特征及各晶面之間的幾何角度關(guān)系，憑借操作者長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)觀察和試驗(yàn)所做的粗略晶體定向。該方法簡(jiǎn)單、易行、不需要借助設(shè)備，但定向結(jié)果準(zhǔn)確性差，對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)要求高，且對(duì)于經(jīng)過(guò)加工、失去了天然單晶晶體特征的刀具就無(wú)法再進(jìn)行人工目測(cè)定向。

激光晶體定向

激光晶體定向是用相干性較好的激光照射到金剛石晶體表面上，在不同結(jié)晶方向上表面存在的在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的形狀規(guī)則的晶面晶紋和微觀凹坑被反射到屏幕上形成特征衍射光圖像。但實(shí)際上因受到外界干擾因素，自然形成的規(guī)則晶面晶紋和微觀凹坑往往不明顯或根本無(wú)法觀察到。因此這種晶體在定向之前，要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)娜斯じg，以形成特征形貌。

X射線晶體定向

由于X射線的波長(zhǎng)接近晶體的晶格常數(shù)，當(dāng)X射線透過(guò)晶體或從晶體表面反射回來(lái)時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射。利用這個(gè)原理已開發(fā)有專用的X射線晶體定向儀。這種晶體定向方法精度高，但是因X射線對(duì)人體有一定的危害，在使用時(shí)需注重對(duì)操作人員的保護(hù)。

金剛石刀具的晶向選擇

金剛石各向異性，因此不但各晶面的硬度、耐磨性不同，就是同一晶面不同方向的耐磨性也不同。如果晶向選擇不當(dāng)，即使晶面選擇正確，刃磨效率也會(huì)大大降低。同時(shí)由于金剛石晶體的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大5~7倍，所以在刃磨過(guò)程中要選擇晶面的易磨方向，同時(shí)刃口要迎著刃磨砂輪線速度的正方向（即采取逆磨），以保證刃磨效率并減小刃口的微觀解理程度。

金剛石刀具的磨、破損

金剛石刀具的磨損機(jī)理比較復(fù)雜，可分為宏觀磨損和微觀磨損，前者以機(jī)械磨損為主，后者以熱化學(xué)磨損為主。常見的金剛石刀具磨破損形態(tài)為前刀面磨損、后刀面磨損和刃口崩裂。在單晶金剛石刀具刃磨過(guò)程中，需要其磨損以刃磨出滿足要求的刀具，但若產(chǎn)生了不需要的磨損就可能損傷已經(jīng)刃磨好的前、后刀面。而刃口崩裂（即崩刃）是在刃口上的應(yīng)力超過(guò)金剛石刀具的局部承受能力時(shí)發(fā)生的，一般是由金剛石晶體沿（111）晶面的微觀解理破損造成的。在超精密加工中，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑比較小，其本身又屬于硬脆材料，同時(shí)由于其各向異性且（111）面易發(fā)生解理，隨著振動(dòng)和砂輪砂粒對(duì)刀具刃口的沖擊作用，故常常會(huì)伴隨產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。

刃磨試驗(yàn)

試驗(yàn)在EWAG RS-12磨刀機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)中，由于缺乏有效的晶體定向手段，只有通過(guò)對(duì)報(bào)廢刀具的結(jié)構(gòu)分析，大致判定刀具的晶面方向，然后通過(guò)刃磨過(guò)程中刀具與砂輪表面的接觸力、接觸聲音等信息，兼顧砂輪速度、主軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度和擺幅等參數(shù)，仔細(xì)尋找刀具合適的刃磨角度。當(dāng)刃磨的聲音比較沉悶吃力、手感機(jī)床有較大振動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即退出刀具，避免刀體損傷砂輪，并重新調(diào)整角度。調(diào)節(jié)適當(dāng)后，刃磨的聲音比較輕快柔軟，手感機(jī)床振動(dòng)微小，并且連續(xù)上刀0.05mm,機(jī)床不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)。

通過(guò)各次刃磨情況的比對(duì)，確定主切削刃和副切削刃較為合理的刃磨選向?yàn)樯拜喰D(zhuǎn)方向應(yīng)指向刃口受壓方向，并與之形成15~30?角。根據(jù)機(jī)床資料并綜合考慮材料去除率和磨削比率，推薦采用的砂輪速度為8~65m/s.通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂輪速度在22~28m/s時(shí)，研磨效果*好；速度在15 m/s時(shí)刃口的Rt值*小。因此，在實(shí)際的刃磨過(guò)程中，將刀頭放置在研磨盤φ140左右的區(qū)域內(nèi)，粗磨時(shí)選擇砂輪轉(zhuǎn)速為2100rev/min,精磨時(shí)選擇砂輪轉(zhuǎn)速1000rev/min,保證粗磨時(shí)的砂輪速度為23m/s左右，精磨時(shí)為15 m/s左右。主軸往復(fù)擺動(dòng)幅度不宜過(guò)大，一般比刃磨刀口寬度略寬即可，擺動(dòng)頻率也不宜過(guò)快。

為得到經(jīng)濟(jì)性的刃磨效果，磨削接觸壓力需隨著刃長(zhǎng)的增加而增加。在粗磨時(shí)，隨著接觸壓力的升高，會(huì)出現(xiàn)材料去除率的正向突變。在超精磨時(shí)，材料去除率隨接觸壓力的增加先是逐漸升高，當(dāng)接觸壓力增加到180N時(shí)，材料去除率轉(zhuǎn)而逐漸降低。精拋時(shí)刀具與研磨盤之間的接觸壓力在12~14N時(shí)*有利于保證刃磨面的表面光潔度。因此刃磨時(shí)刀具與砂輪表面應(yīng)有適當(dāng)?shù)慕佑|力。粗磨時(shí)，盡量采用機(jī)床的壓力控制，在對(duì)刀之后應(yīng)盡快上刀，并且按住機(jī)床變位操縱拉桿（該拉桿用于操縱工作臺(tái)在工作位與測(cè)量位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換），以保證所需較大接觸力，避免引起機(jī)床振動(dòng)導(dǎo)致崩刃。