金剛石是碳的同素異構(gòu)體，它是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性能，在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中，金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具品種?？蓪崿F(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的金剛石刀具是現(xiàn)代數(shù)控加工中不可缺少的重要工具。

  金剛石刀具的種類

  ①天然金剛石刀具：天然金剛石作為切削刀具已有上百年的歷史了，天然單晶金剛石刀具經(jīng)過精細研磨，刃口能磨得極其鋒利，刃口半徑可達0.002μm，能實現(xiàn)超薄切削，可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度，是公認的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

  ②PCD金剛石刀具：天然金剛石價格昂貴，金剛石廣泛應(yīng)用于切削加工的還是聚晶金剛石(PCD)，自20世紀70年代初，采用高溫高壓合成技術(shù)制備的聚晶金剛石，簡稱PCD刀片研制成功以后，在很多場合下天然金剛石刀具已經(jīng)被人造聚晶金剛石所代替。PCD原料來源豐富，其價格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一。

  PCD刀具無法磨出極其鋒利的刃口，加工的工件表面質(zhì)量也不如天然金剛石，現(xiàn)在工業(yè)中還制造出了帶有斷屑槽的PCD刀片。因此，PCD能用于有色金屬和非金屬的精切，很難達到超精密鏡面切削。

  ③CVD金剛石刀具：自從20世紀70年代末至80年代初，CVD金剛石技術(shù)出現(xiàn)了。CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)合金、陶瓷等)上合成的金剛石膜，CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結(jié)構(gòu)和特性。

  CVD金剛石的性能與天然金剛石相比十分接近，兼有天然單晶金剛石和聚晶金剛石(PCD)的優(yōu)點，在一定程度上又克服了它們的不足。

  金剛石刀具的性能特點：

  ①極高的硬度和耐磨性：天然金剛石是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的物質(zhì)。金剛石具有極高的耐磨性，加工高硬度材料時，金剛石刀具的壽命為硬質(zhì)合金刀具的lO～100倍，甚至高達幾百倍。

  ②具有很低的摩擦系數(shù)：金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其他刀具都低，摩擦系數(shù)低，加工時變形小，可減小切削力。

  ③切削刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具可高達0.002～0.008μm，能進行超薄切削和超精密加工。

  ④ 具有很高的導(dǎo)熱性能：金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴散率高，切削熱容易散出，刀具切削部分溫度低。

  ⑤具有較低的熱膨脹系數(shù)：金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，由切削熱引起的刀具尺寸的變化很小，這對尺寸精度要求很高的精密和超精密加工來說尤為重要。

  金剛石刀具的應(yīng)用

  金剛石雕刻刀具系列主要用于石材、硬質(zhì)合金等領(lǐng)域，例如，還可提供非標準定制服務(wù)。

  而金剛石涂層刀具系列主要用于鋁、石墨、陶瓷、碳纖維、玻璃纖維等領(lǐng)域。單晶金剛石刀具系列主要用于銅、鋁等有色金屬及石墨、玻璃、塑料、陶瓷等材料等領(lǐng)域。

  金剛石刀具的不足之處是熱穩(wěn)定性較差，切削溫度超過700℃～800℃時，就會完全失去其硬度；此外，它不適于切削黑色金屬，因為金剛石(碳)在高溫下容易與鐵原子作用，使碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極易損壞。

  立方氮化硼刀具材料的種類、性能和特點及刀具應(yīng)用

  用與金剛石制造方法相似的方法合成的第二種超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和熱導(dǎo)率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至10000C也不發(fā)生氧化。CBN對于黑色金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，可以廣泛用于鋼鐵制品的加工。

  ⑴ 立方氮化硼刀具的種類

  立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物質(zhì)，有單晶體和多晶體之分，即CBN單晶和聚晶立方氮化硼(Polycrystallinecubic bornnitride，簡稱PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異構(gòu)體之一，結(jié)構(gòu)與金剛石相似。

  PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高溫高壓下將微細的CBN材料通過結(jié)合相(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結(jié)在一起的多晶材料，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石的刀具材料，它與金剛石統(tǒng)稱為超硬刀具材料。PCBN主要用于制作刀具或其他工具。

  PCBN刀具可分為整體PCBN刀片和與硬質(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合刀片。

  PCBN復(fù)合刀片是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金上燒結(jié)一層O.5～1.0mm厚的PCBN而成的，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性，它解決了CBN刀片抗彎強度低和焊接困難等問題。

  立方氮化硼的主要性能、特點

  立方氮化硼的硬度雖略次于金剛石，但卻遠遠高于其他高硬度材料。CBN的突出優(yōu)點是熱穩(wěn)定性比金剛石高得多，可達1200℃以上(金剛石為700～800℃)，另一個突出優(yōu)點是化學(xué)惰性大，與鐵元素在1200～1300℃下也不起化學(xué)反應(yīng)。立方氮化硼的主要性能特點如下。

  ①高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，具有與金剛石相近的硬度和強度。PCBN特別適合于加工從前只能磨削的高硬度材料，能獲得較好的工件表面質(zhì)量。

  ②具有很高的熱穩(wěn)定性：CBN的耐熱性可達1400～1500℃，比金剛石的耐熱性(700～800℃)幾乎高1倍。PCBN刀具可用比硬質(zhì)合金刀具高3～5倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼。

  ③優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性：與鐵系材料到1200—1300℃時也不起化學(xué)作用，不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質(zhì)合金的硬度；PCBN刀具適合于切削淬火鋼零件和冷硬鑄鐵，可廣泛應(yīng)用于鑄鐵的高速切削。

  ④具有較好的熱導(dǎo)性：CBN的熱導(dǎo)性雖然趕不上金剛石，但是在各類刀具材料中PCBN的熱導(dǎo)性僅次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。

  ⑤ 具有較低的摩擦系數(shù)：低的摩擦系數(shù)可導(dǎo)致切削時切削力減小，切削溫度降低，加工表面質(zhì)量提高。

   立方氮化硼刀具應(yīng)用：

  立方氮化硼適于用來精加工各種淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質(zhì)合金、表面噴涂材料等難切削材料。加工精度可達IT5(孔為IT6)，表面粗糙度值可小至Ra1.25～0.20μm。

  立方氮化硼刀具材料韌性和抗彎強度較差。因此，立方氮化硼車刀不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工；同時不適合切削塑性大的材料(如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性大的鋼等)，因為切削這些金屬時會產(chǎn)生嚴重的積屑瘤，而使加工表面惡化。