金刚石在线讯 金刚石因其极高的硬度、耐磨性、高热导率和与有色金属的亲和性低，被用于超精密加工刀具的制造。

金刚石刀具

面对飞速发展的制造业，金刚石刀具为何能长期占据精密加工“一把刀”的关键位置？粉体网编辑认为，够硬是一个基础条件，关键在于金刚石能不断淬炼自身。通过淬炼，不断完善刀具种类、应用场景，还善于延长使用寿命，深入微观世界探索提升切削性能的技术。

不同金刚石工具的性能比较

单晶金刚石刀具

单晶金刚石工具先前被广泛用于加工有色金属，例如铝、铜和黄金，刀具寿命可达几千公里。近年来，单晶金刚石刀具一直在加工有色金属材料，逐渐转向硬脆材料（如光学玻璃、硅、碳化硅），铁类材料（如铁、锰、铬等）。刀具磨损快限制了超精密加工在难加工材料加工领域的应用。

HTHP金刚石工具

高温高压金刚石（HTHP）比天然金刚石表现更好，其内部没有杂质、夹杂物，而且氮含量得到控制，为尖端提供了一致性和均匀性。与天然金刚石相比，HTHP金刚石具有优越的断裂强度、硬度和导热性。

然而，HTHP金刚石中的裂纹、内部气泡和坑，会影响刀具的精度和表面粗糙度。另外，HTHP金刚石合成法能够合成大尺寸的单晶金刚石，但这种方法的高成本和控制难度使其难以推广。

CVD金刚石涂层刀具

与HPHT金刚石刀具相比，CVD金刚石涂层刀具具有显著优势。主要优点包括CVD能够控制涂层沉积速率，并在复杂形状上实现均匀涂层。CVD金刚石涂层刀具还具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强的优点，在加工铝、硅合金、金属基复合材料、石墨等难加工材料方面发挥着重要作用。

涂层材料作为化学屏障和热屏障，避免了刀具与工件之间的直接接触，减少了刀具和工件之间的摩擦和相互作用，提升刀具的抗氧化性能、抗粘结性能和抗磨粒磨损性能，从而延长刀具服役寿命、改善刀具切削性能。

例如基于掺硼金刚石的卓越性能，开发掺硼纳米聚晶金刚石刀具（NPD）已成为金刚石刀具研究和开发的开创性途径。掺硼NPD刀具在切割非导电陶瓷和金属时表现出优异的耐磨性。光学玻璃材料，凸显了其在加工硬脆材料方面的巨大潜力。

对于CVD金刚石涂层刀具来说，提高金刚石镀层的附着力仍然是一个需要克服的关键障碍。研究表明，硼和钴可以在界面形成稳定的相，从而改善金刚石层的残余应力。这为提高金刚石材层与基体之间的粘结强度提供了方向。需要注意的是，掺硼金刚石刀具的制造过程相对复杂，需要严格控制硼的掺入浓度、涂层均匀性和附着力。

常见硬涂层性能参数

此外，通过表面涂层技术在刀具表面涂覆具有较低摩擦因数的(软涂层)固体润滑材料(如 C、MoS₂、WS₂、CaF₂等)。在切削过程中，固体润滑膜会从刀具表面转移到工件表面并形成转移膜，使摩擦发生在转移膜与润滑膜之间，从而有效减小摩擦、阻止粘接、降低切削温度和切削力，最终达到减轻刀具磨损和防止积屑瘤产生的目的。

为了更好地解决难加工材料难加工的问题，研究人员采用不同的可行方法增强金刚石刀具的性能，在表面涂层技术基础上研究了表面织构技术以及二者的结合技术微纳织构涂层技术。

通过表面织构技术在刀具表面制备不同类型的微纳织构，可以改善刀具-切屑接触面和刀具-工件接触面的摩擦学行为，提升刀具的抗粘附磨损性能，降低刀具的切削力、切削温度及刀具-切屑接触界面的摩擦因数，从而增强刀具的切削能力，延长刀具服役寿命。

通过两种刀具表面改性技术均可改善刀具表面的热、力学性能，进而强化切削效果。田初春等研究表明，通过表面织构技术和表面涂层技术在刀具切削表面置入微纳织构和涂层可以显著改善切削性能；特别是在减小刀具磨损、降低切削力、切削温度以及刀-屑接触界面摩擦因数等方面具有显著效果。

多晶金刚石刀具

单晶金刚石是一种非常昂贵的材料，通常价格大约是多晶金刚石刀具（PCD）的四倍。廉价的PCD工具具有优异的性能，如超硬度（8000HV≈78.4GPa）、高耐磨性和优异的热导率（560·W/m·K）。PCD是一种复合材料，通过将选定的微米级金刚石晶体与少量金属粉末（Co）混合，然后在高温（1400℃）和高压（6Gpa）下烧结而成。

由于PCD韧性有限，大多数工业PCD工具使用硬质合金作为基材。PCD工具含有Co和其他金属粘结剂，这增强了它们的断裂韧性。然而，Co具有有害影响PCD本身的硬度。此外，Co在高温下加速金刚石向石墨的转化。因此，PCD工具非常适合半精加工和具有高断裂韧性的工具要求。

结语

精密加工还在飞速发展，金刚石刀具仍需淬炼自身。

参考来源：

曹广忠：金刚石的合成、改性技术及其在超精密加工中切削工具应用的综述，深圳大学

刘永龙: 刀具涂层技术研究现状和发展趋势,齐鲁工业大学

田初春:微纳织构涂层刀具切削性能研究进展,贵州大学

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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