超硬材料網(wǎng)

　　1  引言

　　金剛石作為一種具有高硬度、低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能的材料，在切削刀具的制備中得到了廣泛的應(yīng)用。單晶金剛石刀具以其納米量級的刃口鋒利度、極好的形狀再現(xiàn)性和抗磨損能力在制造領(lǐng)域受到了特別重視。單晶金剛石刀具的特殊性能使其在超精密切削加工中具有不可替代的作用。本文將就單晶金剛石材料的合成技術(shù)及其特性，以及其在超精密切削加工中應(yīng)用的有關(guān)問題做一閘述。

　　超精密加工所能達(dá)到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造水平的重要標(biāo)志之一。例如，金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。日本聲稱已達(dá)到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級。

　　當(dāng)前超精密加工是指被加工的零件尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01μm的加工技術(shù)，亦稱為亞微米加工技術(shù)，正在向納米加工技術(shù)發(fā)展。早在上世紀(jì)50年代末，由于航天等尖端技術(shù)的發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)。

　　2  人造大單晶金剛石的合成技術(shù)[1]

　　寶石級金剛石合成有兩條途徑，高溫高壓(HPHT)法和化學(xué)氣相沉積(CVD)法：

　　2.1 高溫高壓法

　　1967年美國GE公司首次提出了培育大單晶金剛石的溫度梯度法，1971年合成出了5mm(約1克拉的黃色I(xiàn)b型大單晶金剛石。

　　住友電工在HPHT法大單晶金剛石合成技術(shù)上達(dá)到了目前世界最高水平。主要成就是：

　　（1）晶體生長速度大幅度提高，利用大晶種(5mm)等技術(shù)，將黃色大單晶金剛石/的生長速度由通常2~2.5mg/h提高到12~15mg/h;通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，將無色大單晶的生長速度由2通常1~1.5mg/h提高到6~7mg/h，優(yōu)質(zhì)IIa型單晶最大達(dá)到10mm;

　　(2) 合成的IIa型金剛石雜質(zhì)低于0.1×10-6，晶體缺陷明顯低于天然金剛石，其技術(shù)意義在于大幅度降低生產(chǎn)成本，為批量合成寶石級金剛石，尤其是Ib型金剛石清除了一大障礙。

　　元素6在HPHT合成大單晶金剛石的技術(shù)，應(yīng)該與住友電工不相上下。

　　2.2  CVD法

　　CVD法合成單晶金剛石與金剛石多晶膜在技術(shù)上最大的不同點(diǎn)是前者使用金剛石晶種。目前用CVD法來生長大單晶需要使用大單晶晶片做晶種，晶種有多大就能生長多大的大單晶。

　　美國卡內(nèi)基地質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室于1998年開始CVD單晶金剛石合成技術(shù)的開發(fā)。2004年生長出對角線長10mm，厚4.5mm的單晶金剛石，生長速度100μm/h，最高速度達(dá)到300μm/h，所得到的單晶呈褐色，經(jīng)高溫高壓處理后無色。2005年生長出10克拉的透明單晶金剛石。

　　卡內(nèi)基地質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能夠讓金剛石方晶在6個(100)面上同時生長，所以晶種尺寸并不構(gòu)成合戰(zhàn)成大型單晶金剛石的實(shí)質(zhì)性障礙。

　　與HPHT相比，CVD法的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

　　(1) 金剛石純度高，在HPHT法中，金剛石在熔融觸媒里面生長，構(gòu)成觸媒的金屬原子或多或少會進(jìn)入金剛石晶格，而在CVD法中，只要使用高純度氣體，原則上就能夠生長高純度金剛石。

　　(2) 生長大單晶金剛石成為可能。CVD裝置屬于一種真空設(shè)備，大型化不存在原則上的困難。

　　元素6公司為了深入研究單晶質(zhì)CVD金剛石的特性，采用AMC225xe、AMC225xe(s)和AMC640xa三種材料制成工件進(jìn)行切削加工實(shí)驗(yàn)。這三種材料均為AA2124鋁合金基體，增強(qiáng)組分為SiC微粒。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，車削含增強(qiáng)組分SiC的粒度為20μm的AMC225xe(s)材料時，單晶質(zhì)CVD金剛石切削工具的性能與IIa型天然金剛石切削工具的性能相當(dāng)。車削含增強(qiáng)組分SiC的粒度為3μm而體積分?jǐn)?shù)高達(dá)40%的AMC640xa材料時，單晶質(zhì)CVD金剛石切削工具的壽命比IIa型天然金剛石切削工具的壽命高33%。

　　總的說來，單晶質(zhì)CVD金剛石切削工具的壽命比之多晶質(zhì)CVD金剛石以及聚晶金剛石切削工具的壽命都高，說明前者具有更高的耐磨性。

　　應(yīng)指出的是，車削鋁合金基體復(fù)合材料主要要求切削工具有極高的耐磨性，而切削加工其它金屬基體復(fù)合材料如鈦金屬復(fù)合材料則不但要求切削工具有優(yōu)異的耐磨性，還要求有優(yōu)異的熱學(xué)性質(zhì)。由此可見，單晶質(zhì)CVD金剛石切削工具在加工金屬基體復(fù)合材料中具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

　　用單晶金剛石制作微型超精密切削工具

　　目前已研制出世界上最小的超精密金剛石切削工具，是采用單晶金剛石制作的。它之所以能進(jìn)行高精度三維形狀加工和鏡面加工，關(guān)鍵在于十分鋒利且經(jīng)久耐磨的刀刃，刃鋒的平滑度與輪廓精度要求十分嚴(yán)格，刃鋒的平滑度要達(dá)到納米級，刃尖圓度半徑只有10nm左右。目前應(yīng)用的微型超精密切削工具有下列三種[1]。

　　超精納微方形立銑刀

　　這種立銑刀是用一顆單晶金剛石制成，刀刃寬度15μm，厚4μm，旋轉(zhuǎn)直徑30μm，是目前世界上最小的立銑刀。其用途加工光學(xué)元件、醫(yī)用刀片以及微型機(jī)床零件上的三維曲線槽，特別是加工成形隨意曲率的超細(xì)槽。

　　超精納微球形立銑刀

　　超精納微球形立銑刀被用于三維表面微凹坑和隨意曲率面的加工，例如，微距鏡組模子的加工等。這種球形立銑刀的弧形半徑可做到R30μm，是世界上最小的球形立銑刀，加工精度可達(dá)到納米級。

　　超細(xì)槽切削工具

　　這是一種以剃削和快速切削加工超細(xì)直線糟的工具，所加工的槽寬只有5μm，，是目前世界上能加工的最細(xì)槽。這種切削工具的典型應(yīng)用就是全息攝影光學(xué)元件模具的成形加工，全息攝影光學(xué)元件是一種偏振光分散元件，透鏡上有許多超細(xì)槽，槽的間距以微米計，利用光的衍射現(xiàn)象能夠任意引起光譜衍射和聚光。隨著光電子學(xué)的發(fā)展，對超細(xì)槽的成形加工將會與日俱增[3]。

　　3  單晶質(zhì)CVD的特性

　　單晶質(zhì)CVD金剛石具有很好的耐磨性、抗碎裂性和極高的硬度等綜合力學(xué)性能。其楊氏模量（反映韌性）比硬質(zhì)合金高1.8倍；硬度比硬質(zhì)合金高千倍。用它制或成的刀具的精細(xì)切削刃在工作中可保持穩(wěn)定的性能，而且加工研磨性強(qiáng)的材料可達(dá)到很高的表面光潔度。

　　此外，它還有極高的導(dǎo)熱率，超過2000W/(m.K)，比銅高5倍，因此，在切削過程中.產(chǎn)生的溫升極低，比得上高質(zhì)量的IIa型天然金剛石。IIa型天然金剛石在工業(yè)用的天然金剛石只是很少的一部分，不僅價格昂貴，而且貨源不足。單晶質(zhì)CVD金剛石.就沒有這些限制，因?yàn)樗侨斯ず铣傻牟牧希|(zhì)量受到嚴(yán)格控制，可保證化學(xué)純度。

　　用天然金剛石制作工具有一定難度。由于天然金剛石的形狀和大小都無規(guī)則，鑒定其晶體取需要高水平的技能與豐富經(jīng)驗(yàn)。單晶質(zhì)CVD金剛石能以一定晶體取向和形狀合成，并可按正確晶體取向進(jìn)行釬焊，所以用它制作切削工具的工藝方法比較省工。

　　4  單晶金剛石在超精密切削加工中的應(yīng)用

　　金剛石作為一種切削材料主要是利用它的超硬特性，以及所兼?zhèn)涞母邿醾鲗?dǎo)率、高耐磨性、低膨脹系數(shù)和它與被切削材料之間的低摩擦系數(shù)。

　　CVD金剛石用于切削有兩種形式：聚晶質(zhì)CVD金剛石薄膜與單晶質(zhì)金剛石厚膜或片，可切割成不同形狀。單晶質(zhì)金剛石切削工具主要用于加工強(qiáng)度高而質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)材料如金屬基體復(fù)合材料(MMCS)等，存在問題是不能制造形狀復(fù)雜的切削工具。

　　精密或超精密車刀是大單晶金剛石作為切削材料的一種成功應(yīng)用。超精密金剛石刀具具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如表1所示。

 表１：超精密切削加工應(yīng)用領(lǐng)域

　　美國Kennametal公司于2003年推出的新型數(shù)控機(jī)床刀具KD1405，是一種“純金剛石”刀具材料，它具有良好的韌性，可顯著改善刀具的耐磨性，在用于連續(xù)車削及輕負(fù)載斷續(xù)車削、精銑和半精銑刀加工時，刀具壽命與PDC刀具相比，可提高100%~200%。

　　大單晶金剛石可以做成切刀，用來制作厚度只有幾十納米的生物組織超薄切片。

　　大單晶金剛石制作的手術(shù)刀極其鋒利，可以用來進(jìn)行眼睛和大腦等精密手術(shù)。

　　單晶金剛石車刀，廣泛用來加工原子反應(yīng)堆及精密儀器的反射鏡、計算機(jī)硬盤、導(dǎo)彈或太空飛行器的導(dǎo)航陀螺和加速器電子槍等超精密鏡面零件。

　　大單晶金剛石配合高精密車床已經(jīng)實(shí)現(xiàn)最低加工表面粗糙度Ra0.02μm的鏡面加工。

　　有一些用CVD多晶厚膜或PDC復(fù)合材料來完成的，如PDC銑刀加工含有氧化鋁的木地板時刃口容易鈍化，必須經(jīng)常刃磨或更換刀片。如使用單晶金剛石銑刀則壽命大幅度延長，使加工效率得到明顯提高。

　　隨著大單晶金剛石合成技術(shù)的提高和成本的降低，在越來越多的場合，大單晶金剛石刀具可以替代CVD或PDC刀具以獲得更高的加工效率。

　　5  結(jié)語與展望

　　5.1 單晶金剛石刀具的特殊性能使其在超精密切削加工中具有不可替代的作用，其中的單晶金剛石尖刀刀具已廣泛用于F-theta透鏡、光纖接頭的V型槽結(jié)構(gòu)、透鏡、光柵等光學(xué)自由曲面和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)功能表面的超精加工中。但是，單晶金剛石尖刀刀具的制備目前仍是一項(xiàng)難度很大的工作[5]。

　　5.2 近些年來，單晶金剛石刀片在高精度切削加工鋁合金材料方面的優(yōu)越性引起了高度重視。日產(chǎn)研究中心用單晶金剛石刀片與多晶金剛石刀片對汽車的高硅鋁合金活塞、汽缸體與汽缸頭進(jìn)行高精度切削加工的實(shí)驗(yàn)表明，單晶金剛石刀片的切削刃鋒利得多，而且由于它的晶體取向是一定的，而多晶金剛石刀片的晶體取向是無規(guī)則的，所以前者的硬度達(dá)到努普硬度104GPa，而后者只有50GPa。前者加工的最終表明粗糙度>Ra0.03μm，后者>Ra0.3μm。雖然前者的成本比后者大3倍，但前者的使用壽命比后者大17倍

　　5.3兩個因素決定了大單晶金剛石作為切削材料在機(jī)械加工方面的應(yīng)用和市場將會快速發(fā)展：(1) 機(jī)械加工工業(yè)發(fā)展的總趨勢是高效、高精度和環(huán)保意識，大單晶金剛石作為切削材料完全符合這種趨勢。(2) 大單晶金剛石的制造成本。據(jù)Gemesis和阿波羅公司透露，目前生產(chǎn)每克拉HPHT大單晶金剛石的成本為100美元，而生產(chǎn)每克拉CVD大單晶金剛石的成本只有5美元。可以預(yù)見，隨著大單晶金剛石生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低，本來使用PDC和CVD多晶厚膜的場合完全可以使用大單晶金剛石。

　　5.4 眾所公認(rèn)，CVD金剛石超過天然金剛石和HPHT金剛石的主要優(yōu)點(diǎn)在于可控制其沉積生長過程，以不同摻入物的質(zhì)和量獲得不同性質(zhì)的金剛石，而且可形成連續(xù)金剛石膜用作大面積鍍層或形一定厚度片狀金剛石，在工業(yè)上許多領(lǐng)域勢必取代天然和HPHT金剛石。未來工業(yè)金剛石的發(fā)展方向應(yīng)該在CVD技術(shù)和CVD金剛石，而不是HPHT合成工藝和HPHT金剛石[6]。

　　5.5 當(dāng)前，CVD技術(shù)面臨最大的挑戰(zhàn)就是如何在確保CVD金剛石質(zhì)量的前提下盡量提高CVD速度而又不致于增加生產(chǎn)成本。美國SP3公司認(rèn)為，熱絲CVD技術(shù)有利于降低成本。但在2005年初，卡內(nèi)基與Alabama大學(xué)合作研制成功另一種CVD技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，可生產(chǎn)10克拉重，1/2英寸厚的單晶質(zhì)CVD金剛石，沉積生長速度達(dá)到100μm，這種CVD技術(shù)實(shí)際上就是微波等離子CVD法。元素6公司對微波等離子法情有獨(dú)鐘，一直在研究改進(jìn)，目前使用的是微波等離子增強(qiáng)型CVD技術(shù)。

　　5.6 從技術(shù)上講，HPHT法可生產(chǎn)出4~6mm或以上的大單晶金剛石，但從經(jīng)濟(jì)方面是不可取的。原因是工藝過程難控、周期長、成本高，極難加工成所需要之形狀。鑒于這些原因，世界上最大的工業(yè)金剛石的研發(fā)與供應(yīng)商，元素6公司于上世紀(jì)90年代初即改變研究重點(diǎn)，由大力研究HPHT合成大顆粒人造金剛石轉(zhuǎn)向研發(fā)CVD金剛石。因?yàn)镃VD金剛石的最大優(yōu)點(diǎn)是可以生長大單晶及其所需要的形狀與特定功能的金剛石。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王裕昌，人造大單晶金剛石的合成技術(shù)進(jìn)展及主要應(yīng)用[J]超硬材料工程，2008，6：28~32
　　[2] 談耀麟，單晶質(zhì)CVD金剛石的特性及其制作切削工具的應(yīng)用[J]超硬材料工程，2007，6：42~44
　　[3] 淡耀麟，單晶金剛石在高端技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]超硬材料工程，2006，5：30~33
　　[4] 董長順，玄真武等，CVD金剛石制備方法及其工業(yè)化前景分析[J]超硬材料工程，2009，1：33~39
　　[5] 盧猛，趙清亮，單晶金基石尖刀制備工藝的研究[J] 磨料磨具通訊，2008，12：10~12
　　[6] 談耀麟，論CVD金剛石合成技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]超硬材料工程，2010，3：29~33