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金刚石机床刀具材料分为单晶金刚石(有天然和人造两种,天然单晶金刚石价格昂贵,部分被人造单晶金刚石替代)、人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片(PCD/CC)以及CVD金刚石。
单晶金刚石
单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的(质量大於0.1g,最小径长不得小於3mm),主要用于表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密和超精密加工应用领域。
人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性,目前由于高温高压技术日趋成熟,能够制备一定尺寸的人工合成单晶金刚石,尤其在加工高耐磨的层状木板时,其性能要优于PCD金刚石,不会引起刃口过早钝化。
人造聚晶金刚石(PCD)和人造聚晶金刚石与硬质合金复合刀片(PCD/CC)
PCD是在高温(约1800℃)、高压(5~6MPa)下,利用钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成多晶体材料,其硬度虽稍低于单晶金刚石,但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合,属各向同性,用作切削刀具时可以任意取向刃磨,无需像天然金刚石那样必须选用最佳的解理面作为前刀面。在切削时,切削刃对意外损坏很不敏感,抗磨损能力也较强,可长时间保持锋利的切削刃,加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量(吃深),使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具10~500倍,而且由於PCD中金属结合剂具有导电性,使得PCD便于切割成形,且原料来源丰富,其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一,已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。
CVD金刚石
CVD金刚石是一种高抗磨性的纯金刚石材料,不含结合剂,它是在低压(﹤0.1MPa)下制备的。CVD金刚石主要有CVD薄膜涂层(CD)和CVD厚膜(TFD)两种形式。
CD是用CVD(化学气相沈积)工艺,在硬质合金基体(常用K类合金)上沈积一层厚度约10~30μm,由多晶组成的膜状金刚石而成。
切削刀具的多样性和使用时的工作状态特点决定了选择江苏刀具镀层的不同。车削和钻孔不同,铣刀又应考虑其断续冲击的特点。早期发展的涂层以耐磨为主要着眼点,以提高硬度为主要指标。以氮化钛为代表的此类涂层具有较高的摩擦系数(0.4~0.6),加工时与工件之间不断摩擦将产生大量热能。
“为避免非标刀具过热发生变形影响加工精度和延长其使用寿命,通常使用切削液。”有关专家表示,要解决减少或免除切削液带来的问题,刀具镀层不仅应使刀具具有长寿命,且应有自润滑的功能。类金刚石涂层(DLC)的出现在对某些材料(Al、Ti及其复合材料)的机械加工方面显示出优势,但经过多年的研究表明类金刚石涂层的内应力高、热稳定性差和与黑色金属间的触媒效应使SP3结构向SP2转变等三种缺点,决定了它目前只能应用于加工有色金属,因而限制了它在机加工方面的进一步应用。但是近年来的研究表明,以SP2结构为主的类金刚石涂层(也称为类石墨涂层)硬度也可达到20~40GPa,却不存在与黑色金属起触媒效应的问题,其摩擦系数很低又有很好的抗湿性,切削时可以用冷却剂也可用于干切削,其寿命比非镀层刀有成倍的提高,加工钢铁材料不存在问题,因而引起了涂层公司、刀具厂家极大的兴趣。假以时日,这种新型的类金刚石涂层会在切削领域得到广泛的应用。