金刚石刀具的种类及应用

1、金刚石的种类 金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，以及与非铁金属亲和力小等优点，目前硬度最高的刀具材料。金刚石刀具类型繁多，性能差异显著，不同类型金刚石刀具的结构、制备方法和应用领域有较大区别。 金刚石刀具的分类如下图：

2、单晶金刚石 （1）天然金刚石： 英文natural diamond。简称：ND。天然金刚石约98%属于Ia型氮[N]（~2500ppm）天然金刚石的形成大部份是在至少25亿年的岩石中产生，而且大约在140~200公里的地底下形成，在这个深度下的强大压力(每平方基叶150万磅）和极高温度（约2800℃)造成稀有的碳原子紧密的聚集在一起，而形成的晶体结构。经过火山爆发，强烈的能量猛烈推挤含有金刚石的古老岩石，然后迅速的被岩浆或熔解的石头带到地面。由于金刚石拥有高硬度、高耐磨耗与高热传导系数，因此很早就被应用在切削工具之上，近年来科技进步，对加工质量与被加工物误差的要求，金刚石的特性更被广泛的应用在光学元件的加工。

（2）人造单晶金刚石—高温高压法 人造单晶金刚石属于Ib型单结晶合成金刚石之一，氮[N]多为分散或固溶状态存在于晶体内部，人造单晶金刚石顾名思义是由人工合成的，在一个无氧且高温(1000°C以上)高压（500兆帕）的环境里合成出来的，由于拥有和金刚石相当的高硬度、高耐磨耗与高热传导系数。高温高压法合成的单晶刀具，一般为黄色 由于和金刚石同属于单结晶体，无晶界的性质可以制造出非常锋利的刀刃质量，是其他材料无法达到的境界，长久以来被应用在制作超精密加工的金刚石刀具，抛光工具和耐磨耗元件。人造单晶金刚石目前最大尺寸可达8mm。

（3）人造单晶金刚石—化学气相沉积法（CVD） 化学气相沉积法英文：Chemical Vapor Deposition，简称：CVD单晶金刚石。属于IIa型金刚石型单结晶合成金刚石之一，氮[N]<1 ppm，[B] < 0.05 ppm ，CVD合成单晶金刚石的制程环境是在氢碳之混合气的腔体中，利用化学气相沉积法(CVD)来合成出来；华菱CVD单晶一般为无色透明晶体。 这是一种超高技术所合成出来的高质量单晶金刚石，可做到完全无色透明，几乎没有任何杂质，拥有更高的耐磨耗和更好热传导系数，更能够使被加工物拥有更高质量的加工表面，同时如果在生长过程中有选择性的通入掺杂气体，便可以制备出多种有色金刚石。

2、多晶金刚石刀具 （1）PCD PCD，英文全称：Polycrystalline diamond，称为聚晶金刚石。 是利用天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂（其中含钴、镍等金属）按一定比例，在高温（1000～2000℃）、高压（5～10万个大气压）下烧结而成固定直径和厚度的PCD复合片，之后经过切割，焊接、刃磨等工艺，制成PCD刀具，广泛用于汽车、航空航天、3C等行业。 通常情况下，PCD复合片的层厚约为0.3～1.0mm。可制成PCD刀片，PCD车刀，PCD铣刀，PCD铰刀，PCD钻头等结构形式。

（2）CVD金刚石 CVD，英文全称：Chemical Vapor Deposition，中文名称：化学气相沉积法 是在含碳气体和氧气的混合物在高温和低于标准大气压的压力下被激发分解，形成活性金刚石碳原子，并在基体上沉积交互生长成聚晶金刚石，不含任何金属或非金属添加剂，其性能与天然金刚石十分接近。 CVD金刚石刀具有CVD金刚石薄膜涂层刀具和CVD厚膜刀具之分，其中CVD金刚石薄膜涂层可沉积在任何形状的基体上，因此CVD金刚石薄膜易于制造复杂型面刀具，如钻头、立铣刀、带断屑槽的金刚石刀片等。 CVD金刚石厚膜刀具是采用等离子体时流CVD法在Mo基体上沉积金刚石膜，获得独立的金刚石厚膜（0.3-1.3mm），之后通过焊接工艺，将CVD金刚石厚膜焊接到硬质合金或其他材质的基体上，从而形成CVD金刚石厚膜刀具或刀片，具体成型工艺如右图：

1、单晶金刚石刀具的性能优势 （1）单晶金刚石刀具具有极高的硬度（10000HV），从而获得良好的耐磨性； （2）单晶金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，切削时不宜粘刀和产生积屑瘤，可进行超薄切削和超精密加工； （3）摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力； （4）刃口在800倍Nomarski（尼康）显微镜下观察无缺陷，加工有色金属时表面粗糙度可达Rz0.1～0.05μm， 被加工工件的形状精度控制50nm以下； （5）华菱超硬精选的单晶金刚石刀具颗粒，一致性好，使用寿命是硬质合金刀具的100倍，甚至几百倍。

2、PCD刀具的性能优势 （1）PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍； （2）PCD的导热系数为700W/mk，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速； （3）PCD的磨擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的磨擦系数为0.4～1）,因此PCD刀具可显著减小切削力； （4）PCD的热膨胀系数仅为0.9×10－6～1.18×10－6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高； （5）PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤；

1、单晶金刚石刀具，PCD刀具和CVD金刚石刀具的区别 PCD刀具最适合加工铝和其他韧性较好的非铁合金（如铜、黄铜和青铜），以及具有高磨蚀性的复合材料（如石墨、碳—碳材料、加碳酚醛、玻璃纤维和多孔密封材料）。 单晶金刚石几乎专用于高精密的精加工，其极薄切削能力可确保获得极高的尺寸精度。PCD和CVD金刚石可用于许多相同的加工领域，但PCD更适合用于粗加工以及对刀具断裂韧性要求较高的加工场合。CVD金刚石更擅长精加工、半精加工和连续车削加工，这是因为其具有优异的耐磨性和高硬度，可以加工出更精密的工件。 目前单晶金刚石刀具和PCD应用最为广泛，CVD厚膜刀具目前由于磨削工艺限制了其推广使用。”

2、单晶金刚石和聚晶PCD在金相显微镜下的区别 聚晶PCD与单晶金刚石在金相显微镜下的状况，左下图可明显看出刀刃边缘会呈现锯齿状，而右图则平顺光滑。

3、单晶金刚石和聚晶PCD在加工方面的差异性： 左图聚晶材质之刀刃由许多微细晶体所构成，因此在进行加工车削，被加工物表面也会呈现一颗颗小晶粒所造成的痕迹。 右图单晶材质之刀具可以将刀刃完美的状态，直接复制在被加工物上。

1、金刚石标准刀片 单晶金刚石刀片主要用于单点金刚石车床或其他精密车床。加工有色金属时表面粗糙度可达Rz0.1-0.05μm。 PCD刀片一般用于车床，加工中心等，主要以车，镗为主。相对于的传统的合金刀片，可以采用更高的进给，线速度。刀具寿命相比硬质合金刀片也有非常大的提升；同时，PCD加工的工件表面，光洁度最佳可达Ra0.2。

2、金刚石非标刀片 主要用于一些结构比较复杂，公差要求严格，加工工序复杂的工况。采用机夹式PCD非标刀片，可极大程度提升加工效率，同时，采用机夹式结构，可降低生产成本。

3、PCD铣刀片 PCD铣刀片，搭配铣刀盘或铣刀杆，一般用来铣削平面和台阶。使用线速度可以高达2500-3000m/min，相比硬质合金刀片，刀具寿命提高5-10倍，是汽车铝合金缸盖、摩托车箱体、模具平面等有色金属面铣加工的选择！性价比很合适。

4、金刚石杆状铣刀 金刚石杆状铣刀分为单晶金刚石铣刀和PCD铣刀。 PCD杆状铣刀分两种，一种是过中心的铣刀，使用时可沿轴线垂直扎入工件工件表面，对于铣削凹坑类的工件，效率会提升很多。另一种是不过中心的铣刀，此种铣刀一般都是沿径向切入工件，通过CNC编程走轨迹，铣削凸台，台阶，面等部位。

5、金刚石（PCD）铰刀 金刚石（PCD）铰刀，一般根据直径大小，采用合金基体或者钢制基体。刃数为2刃或2刃以上。 此类刀具主要用于加工公差要求比较严格，光洁度要求比较高的孔，通孔盲孔均可加工。此类刀具加工的孔，光洁度最高可达Ra0.1以内。

6、金刚石（PCD）钻头 金刚石（PCD）钻头，一般根据直径大小，采用合金基体或者钢制基体。金刚石（PCD）钻头是直接在工件上钻孔，本身工件上面是没有孔的，对精度要求不高。 PCD钻头必须适用于加工中心。 金刚石（PCD）钻头主要包括：PCD扩孔钻头、PCD阶梯钻头、PCD麻花钻头、PCD平底钻等。

7、金刚石涂层刀具 金刚石涂层刀具是采用CVD方法直接在硬质合金或陶瓷等基体上沉积一层1-25μm金刚石薄膜，可应用于各种几何形状复杂的刀具，是加工难加工材料的理想刀具。 适合涂层的刀具类型：刀片、铣刀、钻头、铰刀、成型刀等。

8、PCD成型刀 PCD成型刀属于旋转类刀具，优点是加工效率高，可同时铣削多个台阶孔，能保证比较精确的形位公差。和铣刀一样，同样分两种，一种是沿轴向加工，一次成型的。另一种是经cnc编程，走轨迹加工。刀柄有BT柄，HSK柄，直柄等等。

金刚石刀具的应用领域

金刚石刀具的应用材质 金刚石刀具多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削。金刚石刀具适合加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金毛坯，陶瓷材料等；各种耐磨有色金属，如各种硅铝合金，各种有色金属光整加工。

PCD刀具材质介绍，具体信息如下表：

PCD刀具加工各种有色金属和非金属材料的常见切削参数，如下表：

1、金刚石刀具在复合材料方面的应用 针对复合材料加工问题，推荐金刚石涂层刀具和PCD刀具，可实现高效加工和精密切削。 （1）金刚石涂层刀具是在基体上直接沉积金刚石薄膜，使切削刃耐磨性大幅提高，如华菱金刚石涂层刀具不仅拥有金刚石的高硬度和耐磨性，而且能在较长的加工周期内保持原有刀具的几何结构，保证加工效果。 （2）PCD刀具是目前加工复合材料的理想刀具，PCD的硬度高达8000HV，华菱均采用进口的优质PCD片材，同时PCD铣刀、PCD钻头可设计内冷（内部螺旋冷却）通道提高冷却性能，钻头和螺旋铣刀的螺旋式排屑槽可提高排屑性能，进而提高加工效率。

2、金刚石刀具在铝及铝合金方面的创新应用 针对铝及铝合金，推荐PCD断屑槽刀片和PCD铣刀。 1、PCD断屑槽刀片在铝合金精加工—半精加工中实现出众的断屑效果，大幅改善作业效率，实现稳定加工，保证长的刀具寿命。 2、PCD铣刀，具有高耐磨，加工效率高等优点，其中华菱超硬铣刀片高速铣削速度可达3000m/min，具有优良的加工性能。 3、对于高光效果要求较高的情况下，可选择单晶金刚石刀具进行加工。

3、金刚石刀具在石墨，硬质合金、陶瓷等领域的应用 金刚石刀具除了在复合材料和铝及铝合金方面应用广泛外，还可加工铜及铜合金，钛合金，强化塑料，石墨，硬质合金、陶瓷等材质。 其中加工石墨，陶瓷、硬质合金可选择华菱超硬PCD铣刀，单晶金刚石刀具，金刚石涂层刀具。 如加工铜及铜合金，塑料等需要高光效果的材质，则选择单晶金刚石刀具。