金剛石是晶態(tài)單質碳(圖1.2),是面心立方結構的原子晶體,晶格常數(shù)為0.35 nm。 目前發(fā)現(xiàn)的超硬材料(金剛石,立方氮化硼)和類超硬材料(BCN)它們在晶格結構方 面都極為相似,立方氮化硼和BCN在自然界中本身并不存在,而是人們通過仿照金剛石的結構合成出來的(立方氮化硼已人工合成,BCN有學者稱已合成,但還沒有得到社會承認。也就是說,這種結構決定了金剛石的優(yōu)異的物理化學特性。金剛石的晶體結構如圖1.3所示。在金剛石的晶體結構中,碳原子在四面體的頂角及中心位置, 稱性極強。此種晶體中的C-C共價鍵很強,并且沒有自由電子,所以金剛石不僅硬 度大,館點極高,而且不導電。金剛石與其他材料的主要力學性能對比如圖1.4所示, 可以看到金剛石總體性能上要遠優(yōu)于其它材料。這種品體結構使得優(yōu)質單晶金剛石晶形 都比較規(guī)整,常見品形有立方體、四面體、六八面體、八面體菱形和十二面體等。金剛 石材料可分為單晶金剛石和多晶金剛石兩種,其中單品金剛石以其完美的晶格使得各方 面性能都優(yōu)于多晶金剛石。
圖1.2單晶金剛石晶體
圖1.3金剛石的晶體結構
圖1.4金剛石與其他材料的主要力學性能
金剛石材料基本概念:金剛石就是我們常說的鉆石(鉆石是它的俗稱),它是一種由純 碳組成的礦物。金剛石的化學式 NC----N個C,金剛石是原子晶體,一塊金剛 石是一個巨分子,N個C的聚合體.只能用它的結構式表示.代表材料:天然單晶金剛石,人造單晶金剛石,人造聚金剛石,CVD金剛石膜
1、 天然單晶金剛石
天然單晶金剛石是一種各向異性的單晶體。硬度達HV9000-10000,是自 然界中最硬的物質。這種材料耐磨性極好,制成刀具在切削中可長時間保持尺 寸的穩(wěn)定,故而有很長的刀具壽命。 天然金剛石刀具刃口可以加工到極其鋒利??捎糜谥谱餮劭坪蜕窠浲饪剖中g刀;可用于加工隱形眼鏡的曲面;可用于 金剛石手術刀切割光導玻璃纖維;用于加工黃金、白金首飾的花紋;最重要的用途在于高速超精加工有色金屬及其合金。如鋁、黃金、巴氏合金、鈹銅、紫銅等。 用天然金剛石制作的超精加工刀具其刀尖圓弧部分在400倍顯微鏡下觀察無缺陷,用于加工鋁合金多面體反射鏡、無氧銅激光反射鏡、陀螺儀、錄像機磁鼓等。表現(xiàn)粗糙度可達到Ra(0.01-0.025)μm。天然金剛石材料韌性很差,抗彎強度很低,僅為(0.2-0.5)Gpa。熱穩(wěn)定性差,溫度達到 700℃-800℃時就會失去硬度。溫度再高就會碳化。另外,它與鐵的親和力很強,一般不適于加工鋼鐵。
2、 人造單晶金剛石
人造單晶金剛石作為刀具材料,市場上能買到的目前有戴比爾斯(DE-BEERS)生產的工業(yè)級單晶金剛石材料。這種材料硬度略遜于天然金剛石。其它性能都與天然金剛石不相上下。由于經過人工制造,其解理方向和尺寸變得可控和統(tǒng)一。 人造單晶金剛石刀具隨著高溫高壓技術的發(fā)展,人造單晶金剛石最大尺寸已經可以做到8mm。由于這種材料有相對較好的一致性和較低的價格,所以受到廣泛的注意。作為替代天然金剛石的新材料,人造單晶金剛石的應用將會有大的發(fā)展。
3、 人造聚晶金剛石
人造聚晶金剛石(PCD)是在高溫高壓下將金剛石微粉加溶劑聚合而成的多晶體材 料。一般情況下制成以硬質合金為基體的整體圓形片,稱為聚晶金剛石復合片。根據(jù) 金剛石基體的厚度不同,復合片有1.6mm、 3.2mm、4.8mm等不同規(guī)格。而聚晶金 Pcd金剛石刀具剛石的厚度一般在0.5mm左右。目前,國內生產的PCD直徑已經達到19mm,而國外如GE公司最大的復合片直徑已經做到58mm,戴比爾斯公司更達到了74mm。據(jù)制作刀具的需要可用激光或線切割切成不同尺寸和角度的刀頭,制成車刀、鏜刀、銑刀等。PCD的硬度比天然金剛石低 (HV6000左右),但抗彎強度比天然金剛石高很多。另外,通過調整金剛石微粉的粒度和濃度,使PCD制品的機械物理性能發(fā)生改變,以適應不同材質、不同加工環(huán)境的需要,為刀具用戶提供了多種選擇。PCD刀具比天然金剛石的的抗沖擊和抗震性能高出很多。與硬質合金相比,硬度高出3-4倍;耐磨性和壽命高 50-100倍;切削速度可提高5-20倍;粗糙度可達到Ra0.05μm。切削效率高、加工精度穩(wěn)定。PCD同天然金剛石一樣,不適合加工鋼和鑄鐵。這種刀具主要用于加工有色金屬及非金屬材料,如:鋁、銅、鋅、金、銀、鉑及其合金,還有陶瓷、碳纖維、橡膠、塑料等。PCD的另一大功能是加工木材和石材。 PCD刀具特別適合加工高硅鋁合金,因此在汽車、航空、電子、船舶工業(yè)中得到了廣泛的應用。
4、 CVD金剛石膜
CVD金剛石厚膜是一種化學氣相沉積法制成的金剛石材料。作為刀具材料其硬度高 于PCD。由于不含金屬結合劑,所以有很高的熱傳導率和抗高溫氧化性能。但是,目前 生產的CVD材料韌性比較差,它不能用線切割的方式進行切割加工,使用上受到了一定 CVD金剛石膜刀具
的限制。由于沒有切磨的方向性,磨加工的工藝性較差,極難磨出象天然金剛石和人造單晶金剛石一樣鋒利的刃口。作為切削刀具使用尚處于試驗階段,有待進一步研究和開發(fā)。