天然金刚石刀具技术的发展概况

1 前言

金刚石是单一碳原子的结晶体，其晶体结构属等轴面心立方晶系(一种原子密度最高的晶系)。由于金刚石中碳原子间的连接键为sp3杂化共价键，因此具有很强的结合力、稳定性和方向性。独特的晶体结构使金刚石具有自然界物质中最高的硬度、刚性、折射率、导热系数以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性等。

天然金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削对刀具材料的大多数要求，是理想的精密切削刀具材料。天然金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口理论上可达到原子级的平直度与锋利度，切削时切薄能力强、精度高、切削力小；天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命，能保证持续长久的正常切削，并减少由于刀具磨损对零件精度的影响；其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。因此，天然金刚石作为超硬刀具材料在机械加工领域有着重要地位并得到了广泛应用，尤其在超精密加工领域(如加工用于原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、用于导弹或火箭中的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪等超精密零件)，采用天然金刚石刀具无论在价格上还是在精度上都比传统加工方法具有明显优势。表1为采用天然金刚石刀具与传统的研磨、抛光方法加工各种反射镜的精度、价格比较结果。

表1 天然金刚石刀具与研磨、抛光方法在加工精度、价格上的比较

加工对象		加工费用(美元)
加工对象		传统加工方法	金刚石车削
红外非球面镜		4000	2000
RPVFLIR非球面镜		1600	900
医用特殊FLIR镜		3500	2000
X射线天体望远镜		50万～100 万(玻璃)	6万(金属)
Ø100mm抛物镜	加工费用	50000	4000
	精度(µm)	3	0.6
	加工时间	12个月	3周

除高科技领域外，天然金刚石刀具在普通工业和民用产品加工中的应用也逐年增长，已从传统的手表零件加工发展到铝活塞、首饰、制笔、高光标牌、有色金属装饰件等的加工，可以说天然金刚石刀具已深入机械加工各个领域，起着越来越重要的作用。

另一方面，由于天然金刚石的独特性能，使得对其本身的加工非常困难。由于天然金刚石具有极高硬度，必须采用特殊方法进行研磨，对操作工人的技术也有很高要求；由于天然金刚石具有良好的化学稳定性，过去长期无法对其进行焊接，只能采用机械方法夹持大颗粒金刚石，造成金刚石材料的浪费与刀具价格居高不下，同时还影响了刀具和零件的精度。

近百年来，科技人员对金刚石刀具在机械加工中的重要作用、应用前景及实现方法等进行了长期研究及开发，取得了丰硕成果。下面分阶段回顾天然金刚石刀具技术的发展概况，介绍最新的金刚石刀具尖端技术，并探讨今后的发展趋势。

2 天然金刚石刀具传统加工工艺

天然金刚石刀具是二战后为满足手表精密零件、光饰件以及首饰雕花等加工需要而发展起来的，其制造工艺起源于钻石首饰的研磨抛光技术，它的发展带来了手表及相关制造技术的重大变革。

钻石首饰的研磨抛光工艺方法为：在铸铁研磨盘的上表面涂敷金刚石微粉与橄榄油混合而成的研磨膏，并使金刚石微粉镶嵌在铸铁表面的微小孔隙中，固定于夹具滑板上的钻石首饰靠夹具的自重压在高速旋转的研磨盘上进行研磨。

采用钻石首饰加工方法研磨天然金刚石刀具时，需完成以下特殊工艺：

1) 刀刃处理及检测：刀刃质量将直接影响被加工零件质量。
2) 定向：将刀具最剧烈磨损面置于金刚石最硬晶面上，使刀具使用寿命最长。传统的定向方法一般采用肉眼定向。
3) 装卡：在切削过程中，天然金刚石刀具要承受来自各个方向的切削力，为保证连续、稳定的切削，必须将金刚石刀具牢固安装在刀杆上。由于当时尚未发明金刚石钎焊技术，因此只能采用机械夹持。

由于传统的金刚石刀具加工方法工艺简单，设备造价低，因此直至今天仍用于金刚石刀具的粗加工。为进一步完善金刚石刀具加工工艺，半个世纪以来科技人员对金刚石晶体的物理、化学性质以及金刚石刀具研磨机理、刀刃形成机理、切削理论、钎焊技术、精密刃磨设备等课题进行了大量研究，为天然金刚石刀具超精密加工技术的开发打下了坚实基础，许多研究课题今天仍在继续进行。

3 天然金刚石刀具超精密加工技术

二十世纪七十年代后期，在激光核融合技术的研究中，需要大量加工高精度软质金属反射镜，要求软质金属表面粗糙度和形状精度达到超精密水平。如采用传统的研磨、抛光加工方法，不仅加工时间长、费用高、操作难度大，而且不易达到要求的精度。因此，亟需开发新的加工方法。在现实需求的推动下，天然金刚石超精密镜面切削技术得以迅速发展，在已有的金刚石车削技术基础上，通过提高机床精度与刚性、严格控制加工时的振动和温度漂移、研制超精密天然金刚石刀具等，形成了镜面切削工艺，并发展成为一项专门技术。作为超精密镜面切削的关键技术之一，天然金刚石刀具技术在理论及实践上都取得了显著的创新与发展，主要体现在以下几方面：

3.1 超精密金刚石刀具的开发

1) 在主切削刃与副切削刃之间引入修光刃，使已加工表面的理论粗糙度接近于零且修光刃在500× 或更高倍显微镜下检测时无缺陷。
2) 金刚石刀具关键角度的加工精度达到2”。
3) 车削内曲面所用圆弧刀具的圆弧精度达到微米量级。

3.2 精密刃磨设备的研制

由于传统的研磨设备已无法满足超精密金刚石刀具的加工要求，因此开发了采用空气轴承的圆弧与刀刃研磨机，其刃磨精度可达0.1µm。

3.3 精密定向技术及装备

对金刚石刀具定向的目的不仅是要使刀具具有最长寿命，而且要求刀具后刀面与已加工表面的摩擦及刀刃附近解理面的应力达到最小。为此，需要采用更精密的X 射线衍射仪进行定向。

3.4 真空钎焊技术的发明

真空钎焊是金刚石刀具制造技术最重要的突破之一。一方面，传统的机械夹持方法可能导致金刚石刀具在切削中产生微小位移和振动等缺陷，影响加工质量；另一方面，由于金刚石本身具有极高化学稳定性，一般条件下很难与其它金属发生反应而实现焊接，即金刚石具有不可焊性。为解决这一矛盾，经过长期研究和探索，终于发现了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)。

3.5 刀具磨损机理的确立

通过研究发现，在切削过程中，金刚石刀具的磨损以化学粘结磨损为主，并存在少量机械磨损等其它磨损形式。刀具磨损机理的确立决定了刀具定向原则：将化学稳定性最好的晶面置于刀具的后刀面。

3.6 机械磨削方法的系统研究

3.7 金刚石理论研究的进展

通过对金刚石理论的深入研究，发现了金刚石的宏观塑性变形(过去认为金刚石只有少量弹性变形而无塑性变形)；研究了金刚石晶体中的微量杂质，根据杂质的不同将金刚石分为四类，从而可根据不同用途选择不同种类的金刚石；此外，通过对金刚石的断裂特性、解理特性、表面形成机理等进行系统的理论研究，获得了大量数据，形成了各种理论，对金刚石有了更为科学、更为深刻的认识。

这一阶段金刚石刀具技术的发展特点是：由于金刚石刀具被应用于国防、高科技等领域，因此得到大量资金投入，在研究中使用了尖端设备、仪器和最新科学方法，取得了飞跃性发展。

4 天然金刚石刀具最新加工技术

二十世纪八十年代末期，微型机械作为一个新的研究领域得到快速发展。采用机械方法加工用于制造微型机器人的微型零部件(如Ø0.1mm微型精密齿轮、0.3mm微型电机等)时，要求刀具的刀尖圆弧半径为3～5µm，且圆弧精度能够控制，并可达到相当长的刀具使用寿命。

从刀具材料分析，只有单晶天然金刚石能满足上述要求。同时，经过近十年的高速发展，金刚石刀具理论与技术已经有了丰富积累，基本具备了研制开发上述高精度刀具的能力。但是，运用前述金刚石刀具超精密加工技术加工出的金刚石刀具与微型机械加工刀具的要求仍有距离，需要进一步研制开发更先进的加工方法。近年来开发了采用各种化学机理研磨金刚石刀具的方法，以下介绍的三种加工方法均可达到原子级加工水平。

4.1 热化学方法

热化学方法的机理为：在温度为800℃时，若金刚石表面与铁接触，金刚石晶体中的碳原子能够摆脱自身晶格的约束，扩散到铁晶体晶格中去。

运用热化学方法的研磨过程为：在氢气气氛中将铁质研磨盘加热到800℃，使金刚石与研磨盘接触并相对滑动，金刚石晶格中的碳原子会扩散到铁晶体晶格中，达到磨削金刚石的目的；进入铁晶格中的碳原子与氢气反应生成甲烷并随气流散发到空气中。采用热化学方法的磨削速度为每秒40～2000个原子层。

4.2 真空等离子化学抛光

首先用真空等离子物理气相沉积法在研磨盘表面镀上一层细晶粒氧化硅，然后在高真空中活化金刚石表面，同时使之与转动中的研磨盘相接触，金刚石表面处于活化状态的碳原子会与研磨盘上的氧化硅发生反应，从而对金刚石形成磨削；反应生成的一氧化碳或二氧化碳气体被真空泵抽出反应室。这种方法的反应速度为1～3000µm3/s(约每秒0.25～750个原子层)。

4.3 无损伤机械化学抛光法

在NaOH 溶液中加入一定量的细金刚石粉和更细(纳米级)的硅粉，带强负静电的硅粉会吸附在比其大得多的单个金刚石微粒上，形成具有硅吸附层的金刚石研磨粉，然后将其涂敷在多孔的铸铁研磨盘上。研磨金刚石时，吸附在金刚石研磨粉上的硅粉一方面阻止金刚石粉对被加工金刚石表面的直接冲击，保护被加工金刚石表面不被深度损伤，另一方面与被加工金刚石表面发生反应并通过微弱的磨削作用将反应层去除。该方法的磨削速度非常低，仅为每分钟1个原子层。

上述三种方法具有以下共同特点：①避免了机械加工方法所固有的表面冲击沟痕，被加工金刚石表面无冲击，表面异常光洁，表面粗糙度可达Ra1nm(机械加工方法只能达到100nm量级)。②金刚石与研磨盘之间的接触力极小，可很容易地磨出高质量刀刃。③金刚石表面的损伤与变质层很浅，从而提高了刀具寿命。④磨削速度很低，只能用于精磨后的超精密抛光。

采用上述方法不但可满足加工微型机械用金刚石刀具的加工要求，还使超薄生物切片刀、眼科手术刀等小楔角金刚石刀具的制造过程变得简易。

5 金刚石刀具技术发展方向

纵观金刚石刀具技术的发展历程，其技术发展路线为：传统工艺及批量生产→理论研究→超精密加工技术及批量生产→理论突破→最新尖端刃磨技术。可以预测，金刚石刀具技术今后的发展方向将是实现最新尖端加工技术的批量化生产以及以这些尖端技术为基础的理论研究。

一项新的加工技术，从研制成功到实现批量化生产需要解决的主要问题是降低生产成本、提高工艺效率和简化操作过程。金刚石钎焊技术批量化生产的实现就是一个典型实例：七十年代末期发明的金刚石真空钎焊技术需要一整套昂贵的真空设备和较长的抽真空时间，加工成本高，效率低，操作过程复杂。十年后出现的保护气氛钎焊技术有效解决了这些问题，基本满足了批量化生产的要求，设备成本降至真空钎焊的1/5，焊接时间从真空钎焊的2小时缩短至20分钟，所采用的半开放焊接室大大简化了操作过程。

最新的化学机械抛光方法同样存在成本高、效率低、操作过程复杂等问题，需要系统研究其磨削机理、各种加工参数对加工效率和质量的影响，并在此基础上提出新的实现方案，经过试验、改进，最终达到批量生产的要求。

除化学机械抛光方法的研究外，机械研磨方法的磨削机理也是一个古老而富有挑战性的研究课题。从五十年代的碳化与解理之争到九十年代的解理与塑性变形理论，虽然都能解释金刚石磨削硬度的各向异性，但却缺乏严谨、完整的理论体系和具有说服力的实验证明，其原因是金刚石表面异常光洁，需要采用原子级的表面状态、微应力与微裂纹观测手段对其进行分析。随着科学技术的不断发展，这些观测手段正逐渐成为可能。

此外，对于金刚石的机械、物理、化学性能，大多缺乏精确的数据。如何精确测定金刚石的硬度(目前只能确定0.4～1.3GPa范围)也是将来需要进一步研究的课题。

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