现代刀具材料系列讲座(十)(组图)

超硬刀具材料——金刚石与立方氮化硼(一)

摘 要：介绍了超硬刀具材料(金刚石与立方氮化硼)的种类、发展过程、制造方法、性能与应用范围，并列入了一些切削难加工材料的试验数据。

关键词：超硬材料；金刚石；立方氮化硼；刀具；切削性能

1 前言

现代刀具材料高速钢、硬质合金、陶瓷的主要硬质成分是碳化物、氮化物、氧化物。例如，高速钢是加入了合金成份(W、Mo等)的碳化铁；硬质合金主要是碳化物、氮化物和碳氮化物：陶瓷则是氧化物和氮化物。这些化合物的硬度最高达3000HV，加上粘结物质其总体硬度在2000HV以下。对于现代工程材料的加工，在某些情况下，上述刀具材料的硬度已不敷使用，于是超硬刀具材料便应运而生，20世纪的后40年中有了较大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同，立方氮化硼是非金属的硼化物，晶体结构为面心立方体；而金刚石由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似。它们的硬度大大高于其他物质。

在几千年前，人类就已经发现和使用天然金刚石；而人造金刚石的制造和应用则是上一个世纪中的事。氮化硼都是人造的。在20世纪后期，人造金刚石和立方氮化硼两种超硬材料得到了飞跃的发展。

人造金刚石以往多在高温、高压(热压法)条件下形成，称为PCD，后来又出现了其他制造方法。PCD人造金刚石的研究始于1940年，1954年美国正式宣告此种金刚石研制成功，1957年开始工业生产。瑞典于1953年宣告成功，1962年开始工业生产。到1969年，全世界人造金刚石产量为4000万克拉(carat)；当时天然金刚石年产量为4400万克拉。1963年中国宣告PCD制造成功。1996年，中国人造金刚石产量达2.4亿克拉，出口6～8.5千万克拉。90年代末，中国年产量达5亿克拉，居全世界首位。最大的外国公司年产人造金刚石近年也达1亿克拉以上。

1957年，美国GE公司压出CBN(立方氮化硼)单晶粉，70年代初，制成聚晶的PCBN刀具。1972年，苏联亦制成PCBN刀具。1966年，中国研制成功单晶CBN。稍后，制成PCBN。

近年，又以化学气相沉积(CVD)法制成人造金刚石。

2 超硬刀具材料的种类

超硬刀具材料，尤其是金刚石，其种类较多。

立方氮化硼有CBN单品粉，用于制作磨具；还有PCBN聚晶片及PCBN聚晶复合片，用于制作刀具及其他工具。立方氮化硼是人造的。

金刚石分天然金刚石(ND)与人造金刚石。人造金刚石有PCD单晶粉，用于制作磨具；PCD单晶粒，可做刀具；PCD聚晶片及聚晶复合片，用于制作刀具及其他工具；CVD金刚石薄膜及厚膜，可用于制作刀具、工具，并可作为光学、电子高科技原材料。

3 超硬刀具材料的制造方法

人造超硬刀具材料的制造方法很多，这里主要介绍热压法和气相沉积法。

热压法制造金刚石和立方氮化硼所用的设备是六面顶或两面顶的液压机。压制单晶超硬材料．需将原料置于叶蜡石的腔体中。压制PCD单晶粉的原料是石墨片，石墨片与触媒剂Ni-Mn片层叠置于腔体中；压制PCD聚晶片的原料是PCD单晶粉，加入结合剂Ni、Si、Co等；压制CBN单晶粉的原料为六方氮化硼(HBN)粉；压制PCBN聚晶片的原料为CBN单晶粉，同时需分别置人触媒剂与结合剂。热压工艺示意图见图1、图2。其压力、温度及加压时间均列于图中。

类似热压法制造PCD，还有“爆炸法”，在容器中利用炸药爆炸产生高温高压，而使石墨转化为金刚石。爆炸法的工艺和产品质量均不易控制，故很少正式使用。

CVD法是一种气相沉积法。属于这种工作原理在非金刚石基底上沉积金刚石的方法很多，如“热丝法CVD法”、“电子增强CVD法”、“微波PCVD法”、“射频PCVD法”、“直流PCVD法”、“直流电弧PCVD法”、“直流等离子体喷射CVD法”、“电子回旋共振PCVD法”、“火焰燃烧法”、“准分子激光CVD法”等。“热丝CVD法”最为常用。

图3为热丝CVD金刚石厚膜生长沉积技术原理示意图。原料为乙醇(酒精)、氢气和甲烷，热丝为Ta丝或W丝。加热到2000～2500℃高温的热丝及在热丝和基体间施加电压而形成的等离子体，使氢分子与含碳气体分子离解，形成原子态氢和能够形成SP3键的碳氢基团。该基团在有原子氢的作用下在适当温度的基体表面经历吸附的化学过程，去氢而形成金刚石的碳结构。控制热丝的温度及施加电压和电流密度，特别是气体的组成、生长容器的压力和基体温度，即能有效地控制膜生长的速率和成膜质量。

在基体(衬底)上成厚膜后，需使膜与基体分离，并切割成一定形状的小块，再将小块钎焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具，如图4所示。

若制造CVD薄膜金刚石刀具，则在刀具直接沉积金刚石薄膜即可，膜厚仅为10μm左右。而厚膜的厚度能达0.5～0.6mm以上。