金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)，目前硬度最高的刀具材料。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型金剛石刀具的結(jié)構(gòu)、制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域有較大區(qū)別。

  金剛石刀具的種類

  一、金剛石的分類

  1、單晶金剛石：?jiǎn)尉Ы饎偸痔烊粏尉Ы饎偸腿嗽靻尉Ы饎偸?/p>

  （1）天然單晶金剛石：英文全稱natural diamond，簡(jiǎn)稱：ND。天然金剛石約98%屬于Ia型氮[N]（~2500ppm）天然金剛石的形成大部份是在至少25億年的巖石中產(chǎn)生，而且大約在140~200公里的地底下形成，在這個(gè)深度下的強(qiáng)大壓力(每平方基葉150萬(wàn)磅）和極高溫度（約2800℃)造成稀有的碳原子緊密的聚集在一起，而形成的晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)火山爆發(fā)，強(qiáng)烈的能量猛烈推擠含有金剛石的古老巖石，然后迅速的被巖漿或熔解的石頭帶到地面。由于金剛石擁有高硬度、高耐磨耗與高熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此很早就被應(yīng)用在切削工具之上，近年來(lái)科技進(jìn)步，對(duì)加工質(zhì)量與被加工物誤差的要求，金剛石材料的特性更被廣泛的應(yīng)用在光學(xué)元件的加工。

  天然單晶金剛石

  （2）人造單晶金剛石

  人造單晶--高溫高壓法：人造單晶金剛石屬于Ib型單結(jié)晶合成金剛石之一，氮[N]多為分散或固溶狀態(tài)存在于晶體內(nèi)部，人造單晶金剛石顧名思義是由人工合成的，在一個(gè)無(wú)氧且高溫(1000°C以上)高壓（500兆帕）的環(huán)境里合成出來(lái)的，由于擁有和金剛石相當(dāng)?shù)母哂捕?、高耐磨耗與高熱傳導(dǎo)系數(shù)。高溫高壓法合成的單晶刀具，一般為黃色。

  由于和金剛石同屬于單結(jié)晶體，無(wú)晶界的性質(zhì)可以制造出非常鋒利的刀刃質(zhì)量，是其他材料無(wú)法達(dá)到的境界，長(zhǎng)久以來(lái)被應(yīng)用在制作超精密加工的金剛石刀具，拋光工具和耐磨耗元件。人造單晶金剛石目前最大尺寸可達(dá)8mm。

  人造單晶--化學(xué)氣相沉積法：英文全稱Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱：CVD。屬于IIa型金剛石型單結(jié)晶合成金剛石之一，氮[N]<1 ppm，[B] < 0.05 ppm ，CVD合成單晶金剛石的制程環(huán)境是在氫碳之混合氣的腔體中，利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)來(lái)合成出來(lái)，華菱超硬CVD單晶一般為無(wú)色透明晶體。

  這是一種超高技術(shù)所合成出來(lái)的高質(zhì)量單晶金剛石，可做到完全無(wú)色透明，幾乎沒(méi)有任何雜質(zhì)，擁有更高的耐磨耗和更好熱傳導(dǎo)系數(shù)，更能夠使被加工物擁有更高質(zhì)量的加工表面，同時(shí)如果在生長(zhǎng)過(guò)程中有選擇性的通入摻雜氣體，便可以制備出多種有色金剛石。

  2、多晶金剛石

  （1）PCD：英文全稱Polycrystalline diamond，簡(jiǎn)稱PCD，中文名稱：聚晶金剛石。是利用天然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合劑（其中含鈷、鎳等金屬）按一定比例，在高溫（1000～2000℃）、高壓（5～10萬(wàn)個(gè)大氣壓）下燒結(jié)而成固定直徑和厚度的PCD復(fù)合片，之后經(jīng)過(guò)切割，焊接、刃磨等工藝，制成PCD刀具，廣泛用于汽車、航空航天、3C等行業(yè)。

  通常情況下，PCD復(fù)合片的層厚約為0.3～1.0mm?？芍瞥蒔CD刀片，PCD車刀，PCD銑刀，PCD鉸刀，PCD鉆頭等結(jié)構(gòu)形式。

  （2）CVD：英文全稱Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱CVD，中文名稱：化學(xué)氣相沉積法。是在含碳?xì)怏w和氧氣的混合物在高溫和低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力下被激發(fā)分解，形成活性金剛石碳原子，并在基體上沉積交互生長(zhǎng)成聚晶金剛石，不含任何金屬或非金屬添加劑，其性能與天然金剛石十分接近。

  CVD金剛石刀具有CVD金剛石薄膜涂層刀具和CVD厚膜刀具之分：

  其中CVD金剛石薄膜涂層可沉積在任何形狀的基體上，因此CVD金剛石薄膜易于制造復(fù)雜型面刀具，如鉆頭、立銑刀、帶斷屑槽的金剛石刀片等。

  CVD金剛石厚膜刀具是采用等離子體時(shí)流CVD法在Mo基體上沉積金剛石膜，獲得獨(dú)立的金剛石厚膜（0.3-1.3mm），之后通過(guò)焊接工藝，將CVD金剛石厚膜焊接到硬質(zhì)合金或其他材質(zhì)的基體上，從而形成CVD金剛石厚膜刀具或刀片，具體成型工藝如下圖：

  二、金剛石刀具的性能優(yōu)勢(shì)

  1、單晶金剛石刀具的性能優(yōu)勢(shì)

  （1）單晶金剛石刀具具有極高的硬度（10000HV），從而獲得良好的耐磨性；

  （2）單晶金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，切削時(shí)不宜粘刀和產(chǎn)生積屑瘤，可進(jìn)行超薄切削和超精密加工；

  （3）摩擦系數(shù)低，加工時(shí)變形小，可減小切削力；

  （4）刃口在800倍No ** rski（尼康）顯微鏡下觀察無(wú)缺陷，加工有色金屬時(shí)表面粗糙度可達(dá)Rz0.1～0.05μm， 被加工工件的形狀精度控制50nm以下；

  （5）華菱超硬精選的單晶金剛石刀具顆粒，一致性好，使用壽命是硬質(zhì)合金刀具的100倍，甚至幾百倍。

  2、PCD刀具的性能優(yōu)勢(shì)

  （1）PCD的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；

  （2）PCD的導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mk，為硬質(zhì)合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和銅，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；

  （3）PCD的磨擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3（硬質(zhì)合金的磨擦系數(shù)為0.4～1）,因此PCD刀具可顯著減小切削力；

  （4）PCD的熱膨脹系數(shù)僅為0.9×10－6～1.18×10－6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；

  （5）PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過(guò)程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤。

  三、單晶金剛石/PCD/CVD刀具的區(qū)別

  1、性能區(qū)別

  2、應(yīng)用區(qū)別

  單晶金剛石幾乎專用于高精密的精加工，其極薄切削能力可確保獲得極高的尺寸精度。PCD刀具最適合加工鋁和其他韌性較好的非鐵合金（如銅、黃銅和青銅），以及具有高磨蝕性的復(fù)合材料（如石墨、碳—碳材料、加碳酚醛、玻璃纖維和多孔密封材料）。

  PCD和CVD金剛石可用于許多相同的加工領(lǐng)域，但PCD更適合用于粗加工以及對(duì)刀具斷裂韌性要求較高的加工場(chǎng)合。CVD金剛石更擅長(zhǎng)精加工、半精加工和連續(xù)車削加工，這是因?yàn)槠渚哂袃?yōu)異的耐磨性和高硬度，可以加工出更精密的工件。

  目前單晶金剛石刀具和PCD應(yīng)用最為廣泛，CVD厚膜刀具目前由于磨削工藝限制了其推廣使用。

  3、刀具刃口及加工區(qū)別

  A：聚晶金剛石（PCD）與單晶金剛石刀具在金相顯微鏡下的狀況，左下圖可明顯看出刀刃邊緣會(huì)呈現(xiàn)鋸齒狀，而右圖則平順光滑。

  B:在加工方面的差異性

  聚晶金剛石（PCD）刀具的刀刃由許多微細(xì)晶體所構(gòu)成，因此在進(jìn)行加工車削，被加工物表面也會(huì)呈現(xiàn)一顆顆小晶粒所造成的痕跡。單晶金剛石刀具可以將刀刃完美的狀態(tài)，直接 ** 在被加工物上。

  左圖為聚晶金剛石（PCD）刀具加工工件表面，右圖為單晶金剛石刀具加工工件表面。

  四、金剛石刀具的種類

  金剛石刀具按刀具結(jié)構(gòu)來(lái)分：主要用于車刀、銑刀、鉸刀、鉆頭、涂層刀具及其他非標(biāo)成型刀等。

  1、金剛石刀片

  （1）標(biāo)準(zhǔn)刀片：?jiǎn)尉Ы饎偸镀饕糜趩吸c(diǎn)金剛石車床或其他精密車床，加工有色金屬時(shí)表面粗糙度可達(dá)Rz0.1-0.05μm。

  聚晶金剛石（PCD）刀片一般用于車床，加工中心等，主要以車，鏜為主。相對(duì)于的傳統(tǒng)的合金刀片，可以采用更高的進(jìn)給，線速度；刀片壽命相比硬質(zhì)合金刀片也有非常大的提升；同時(shí)，PCD刀片加工的工件表面，光潔度最佳可達(dá)Ra0.2。

  （2）非標(biāo)刀片：主要用于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，公差要求嚴(yán)格，加工工序復(fù)雜的工況。采用機(jī)夾式聚晶金剛石（PCD）非標(biāo)刀片，可極大程度提升加工效率，同時(shí)，采用機(jī)夾式結(jié)構(gòu)，可降低生產(chǎn)成本。

  2、金剛石銑刀片

  聚晶金剛石（PCD）銑刀片，搭配銑刀盤或銑刀桿，一般用來(lái)銑削平面和臺(tái)階。使用線速度可以高達(dá)2500-3000m/min，相比硬質(zhì)合金刀片，刀具壽命提高5-10倍，是汽車鋁合金缸蓋、摩托車箱體、模具平面等有色金屬面銑加工的選擇！性價(jià)比很合適。

  3、金剛石桿狀銑刀

  金剛石桿狀銑刀分為單晶金剛石銑刀和聚晶金剛石（PCD）銑刀。

  聚晶金剛石（PCD）桿狀銑刀又分兩種，一種是過(guò)中心的銑刀，使用時(shí)可沿軸線垂直扎入工件工件表面，對(duì)于銑削凹坑類的工件，效率會(huì)提升很多。另一種是不過(guò)中心的銑刀，此種銑刀一般都是沿徑向切入工件，通過(guò)CNC編程走軌跡，銑削凸臺(tái)，臺(tái)階，面等部位。

  4、金剛石鉸刀

  金剛石鉸刀，一般根據(jù)直徑大小，采用合金基體或者鋼制基體，刃口數(shù)量為2刃或2刃以上。

  此類刀具主要用于加工公差要求比較嚴(yán)格，光潔度要求比較高的孔，通孔盲孔均可加工。此類刀具加工的孔，光潔度最高可達(dá)Ra0.1以內(nèi)。

  5、金剛石鉆頭

  聚晶金剛石（PCD）鉆頭，一般根據(jù)直徑大小，采用合金基體或者鋼制基體。聚晶金剛石（PCD）鉆頭是直接在工件上鉆孔，本身工件上面是沒(méi)有孔的，對(duì)精度要求不高，PCD鉆頭只適用于加工中心設(shè)備。

  聚晶金剛石（PCD）鉆頭主要包括：PCD擴(kuò)孔鉆頭、PCD階梯鉆頭、PCD麻花鉆頭、PCD平底鉆等。

  6、金剛石涂層刀具

  金剛石涂層刀具是采用CVD方法直接在硬質(zhì)合金或陶瓷等基體上沉積一層1-25μm金剛石薄膜，可應(yīng)用于各種幾何形狀復(fù)雜的刀具，是加工難加工材料的理想刀具。

  適合涂層的刀具類型：刀片、銑刀、鉆頭、鉸刀、成型刀等。

  7、金剛石成型刀

  聚晶金剛石（PCD）成型刀屬于旋轉(zhuǎn)類刀具，優(yōu)點(diǎn)是加工效率高，可同時(shí)銑削多個(gè)臺(tái)階孔，能保證比較精確的形位公差。按加工方式不同分為兩種，一種是沿軸向加工，一次成型的；另一種是經(jīng)cnc編程，走軌跡加工。刀柄有柄，HSK柄，直柄等等。

  五、金剛石刀具的應(yīng)用領(lǐng)域

  六、金剛石刀具的應(yīng)用材質(zhì)

  七、金剛石刀具切削參數(shù)推薦

  八、聚晶金剛石（PCD）刀具牌號(hào)特性及應(yīng)用