3 聚晶金刚石的热稳定性研究
聚晶金刚石的热稳定性确定了其应用范围[12]，对其研究越来越受到人们的关注。由于聚晶金刚石受热后，其使用性能会受到很大影响，所以很自然地从受热前后聚晶金刚石性能的改变来研究其热稳定性。并有定义[13]为：聚晶金刚石复合片的耐热性是指它在空气中或保护气氛中加热而耐磨性基本保持不变所能承受的温度与相应的时间。单以耐磨性来评定聚晶金刚石的热稳定性，未免有失偏颇。目前，测量加热后聚晶金刚石性能改变量成为研究其热稳定性的主要手段。在世界范围内，测定耐热性的方法主要有三种[1]：(1)英国De Beers 公司是将其置于空气中用马弗炉加热，同时将其置于还原气氛(95%H2+5%N2)中用还原炉加热，至某一温度，并保持一段时间，然后测定其失重、耐磨性、石墨化程度和抗冲击性能;(2)英国De Beers 公司还有用热量—差热分析仪，并配以高温显微镜，来测定其初始氧化温度，以此来确定氧化度、耐热性;(3)美国GE 公司是将加热过的烧结体，用扫描电镜作断口分析及车削试验，切削速度为107～168m/min，进给量为0.13mmPR。国内的研究手段大多类似于方法二，采用差热—热重法。并用差热、热重曲线来分析温度点，以此来确定聚晶金刚石的氧化温度、石墨化温度等。研究表明，聚晶金刚石的热稳定性与许多因素有关。
3.1 聚晶金刚石热稳定性与环境的关系
与单晶金刚石的热稳定性类似，在不同环境中，聚晶金刚石的热稳定性差别很大。分别在氢气、氮气、空气中，将去掉硬质合金基体的聚晶金刚石复合片从600℃加热到800℃[14]。在对PCD 表面显微分析中得出：氢气中，PCD 表面从700℃～750℃开始有明显的恶化;氮气中，几乎在600℃粘结相就开始从晶界渗出，随着温度的升高越来越明显，至约750℃时发现PCD 表面有碎裂的迹象，达到800℃时则损伤相当严重;空气中，在约600℃时，PCD 面出现损伤，并伴随着Co 粘结相被挤出PCD 表面，其形状为球形，主要是因为粘结相的氧化物与金刚石的氧化物互不润湿。而且发现在细微晶粒间有微小裂纹的存在。可见，不同的环境对热腐蚀的进程，分别有促进和抑制的作用。
3.2 聚晶金刚石热稳定性与粘结剂的关系
粘结剂的种类、多少和有无对聚晶金刚石的热稳定性影响非常大。许多新型的聚晶金刚石刀具产品的热稳定性能好的原因主要就是因为对粘结剂的调整。在PCD 的制作工艺过程中，基体的WC-Co 起到润湿金刚石颗粒作用的同时，也会出现在最终形成的产品中。这些残余的金属相对其性能产生很大的影响。例如，Syndite(De Beers 公司的注册商标)是以Co 作为粘结剂的。一般认为其受热不宜超过700℃。钴在高温低压下与碳具有较强的亲和力，促使金刚石转化为石墨，从而降低它的强度;再者，金刚石和钴之间的热膨胀系数不同，在高温下将导致应力增加，而在PCD 内部形成微裂纹。不同的粘结剂具有不同的效果[2]。Be Deers 公司的产品Syndax3 是以陶瓷材料β-SiC作为粘结剂的，此粘结剂化学性稳定，且其热膨胀系数与金刚石接近。
因些，在惰性气氛中，其热稳定性可以允许加热到1200℃。而以Ni 基合金作为粘结剂的SDB 1000 产品比以Co 作作为粘结剂的SDA 产品具有高的热稳定性，是因为Ni 基合金导致晶粒显示出特别的立方八面体结构，致使在车削中晶粒破裂失效的方式不同，从而改变了其磨损性能，提高了热稳定性。用Si-Ti-B 系粘结剂的聚晶金刚石，热稳定性可达1100～1300℃。粘结剂添加量的多少亦会产生较大的影响。实践证明，以添加10%～15%粘结剂的
聚晶金刚石的热稳定性为好。达到20%时，聚晶金刚石的热稳定性明显变差。若是干脆没有粘结剂，则热稳定性会更好。CVD 薄膜或厚膜由于没有粘结剂对热稳定性的负面影响，其热稳定性要好于PCD。如CVD 薄膜CVDITE 产品更是具有高耐磨性、高热稳定性和化学惰性，特别适用于高速干切削[15]。
3.3 聚晶金刚石热稳定性与粒度的关系
显然，粒度的大小与金属相的含量有一定的对应关系。细粒度PCD 层具有较多的金属相，受热后被挤出的量也大，且PCD 层内有较大的压应力。而粗粒度PCD 层具有较少的金属相，受热后被挤出的量也少，PCD 层的压应力也小。细粒度的PCD 要比粗粒度的PCD热稳定性差。当聚晶金刚石复合片加热超过700℃时，PCD 层中的金刚石颗粒失去其完整性[16]，而使PCD 刀具的切削性能下降。
3.4 提高聚晶金刚石热稳定性的一些方法
当前研究聚晶金刚石性能的重点之一，就是提高聚晶金刚石的热稳定性。改变成分是有效的手段，特别是采取多种形式加入硼(B)，使之生成带有硼化物的材质，改善导热性能，目前已可承受1200～1450℃[1]。但当硼含量过高时，聚晶金刚石的综合性能变差。针对粘结剂对聚晶金刚石热稳定性的不利影响，在制作工艺上，采用特殊的酸处理将金属相去掉，可使其耐热性达到1200～1300℃[17]。类似于单晶金刚石的热稳定性影响因素，聚晶金刚石的热稳定性影响因素也可以归纳为两类：(1)聚晶金刚石所处的环境;(2)聚晶金刚石自身的结构特征。二者亦是相互影响，密不可分的。而且各影响因素之间也是互相影响，情形比较复杂。特别是粘结剂的影响，几乎起着决定性的作用。
4 问题讨论
由于生产加工(如钎焊PCD 复合片于硬质合金刀体上，需要确定最佳钎焊温度)和实际应用(不同的刀具热稳定性适应于不同的加工环境)中，金刚石工具产品的热稳定性越来越受到关注，这促使研究工作不断的深入。然而，综上可见，不同的厂家各自用不同的标准来度量产品的热稳定性。现有单晶金刚石热稳定性研究所使用的方法和概念比较模糊。热重法只能粗略的给出热稳定性范围，在此种方法实施的过程中，并不知道是否有金刚石所含杂质元素或粘结剂的氧化物、碳化物等的产生来增重，它应是增重减重综合作用的结果。其缺点是：不利于分析热稳定性的机理。而且单纯从受热后其强度、耐磨性等性能的改变来确定金刚石的热稳定性，就象不考虑热稳定性来评价金刚石工具质量一样。又由于金刚石品质以及试验条件不同等原因，试验结果也不尽相同。而且，影响因素繁多，各因素之间也相互影响。如磁性与杂质含量，强度与晶粒粒度、形状，磁性与强度，杂质与颜色等，都具有很强的相关性。应采用一种能够体现各影响因素之间有关联性的方法，进行金刚石热稳定性的评价。这同时也有利于机理方面的分析。聚晶金刚石热稳定性的研究有类似的情况，测试某一性能的改变量不足以说明问题。受热后性能的改变应是各因素综合作用的结果，亦应考虑各因素之间的相关性，采用能够体现各因素之间有关联度的方法。
由以上金刚石工具热稳定性研究的数据和结论可知，所使用的热稳定性的标识很多：如氧化温度、失重温度、石墨化温度、强度突变温度、燃烧温度、热腐蚀、耐蚀性、耐热性等等，热稳定性概念模糊。众所周知，金刚石在常压下是碳的亚稳态，一定条件下可以由金
刚石碳(Cd)转化为石墨碳(Cg)或不定形碳。即发生下列可逆反应。C ( ) ( ) d 金刚石碳石墨碳一定条件下g ←→C (1)从而改变了原有的晶体结构，使一系列的性能发生了改变。因此，根据式(1)，用“抗可逆转化”温度，即相变点，作为热稳定性的度量，应具有较好的实用性和机理说明度。在实际研究中，结合金刚石工具受热后微观结构的改变和各性能的变化，综合分析，应能较好地确定热稳定性。这样即有利于从机理上分析其热稳定性，又可在实际应用中明确其适用范围。
5 结语
据报导：2005 年，全世界的切削刀具将卖到25 亿美元[18]，金刚石工具的市场前景广阔。人们在改进原产品性能的同时，亦不断的进行新的尝试。并且在理论与应用研究中都有新的突破：沈主同先生基于原子和分子的界面连接理论[19]可为产生新的类似金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等性能好的结构材料，提供可靠的理论依据。应用研究的发展也很快，对于聚晶金刚石，粘结剂的种类层出不穷。以铁(Fe)作为粘结剂合成的聚晶金刚石[20]，具有比现有的钴(Co)粘结剂合成的PCD 更好的性能。特别是在世界范围内，Co 资源紧张的形势下，Fe 的价格优势可想而知;另外，突破金属粘结剂的局限，采用双氧化物Y3Fe5O12 作为粘结剂[20]进行聚晶金刚石的合成所得的产品，具有高硬度，耐热性可达900℃。
日本研制的DA2200(日本住友公司注册商标)具有PCD 的优越性能，同时具有硬质合金的强度，特别适合于对刀具要求强度大又必须保证质量的场合[22]。总之，新产品的不断研制成功、新合成原理的不断涌现，都更加要求作为金刚石工具性能重指标之一的热稳定性，能够统一的度量和标识。这不但有利于使用产品的用户，而且亦有利于从事热稳定性的研究工作，反过来又会大大促进热稳定性研究的发展。为金刚石工具的使用和发展做出应有的贡献
天然金刚石是自然界中最硬的物质，并具有许多卓越的性能。这些其他材料很难比拟的优秀品质，对切削加工来说是至关重要的。然而，天然金刚石的价格非常昂贵，多用于特殊场合。自从1954年人工合成金刚石以来，在世界范围内，人造金刚石已经经历了三个发展阶段［1］
：(1)50年代人造金刚石的合成，使金刚石生产工业化成为现实；(2)70年代聚晶金刚石(PCD)的出现，使人造金刚石进入全面代替天然金刚石而制作工具的新时期；(3)80年代成熟的低压气相生长金刚石薄膜(CVD)的成功开始了金刚石作为功能性新材料应用的新时代。人造金刚石工具的用途很多，可用作刀具、磨具、锯切工具、钻具、拉拔工具、修整工具和其他工具。金刚石工具的使用，对切削加工业产生了革命性的影响，提高了加工速度和生产率，延长了刀具使用寿命，并且可获得满意的加工效果。随着对加工质量要求的不断提高，以及
一些难加工材料的特殊加工要求，人们对金刚石工具的质量与使用性能提出了更高的要求与期望。
作为金刚石工具重要性能指标之一，热稳定性(Thermal Stability)的研究越来越受到各国金刚石工具生产制造者和使用者的重视。英国De Beers和美国GE公司近年来加大了对其金刚石产品热稳定性能的测试［1］
，进行了诸多方面的研究来改进金刚石工具的热稳定性，并
不断推出热稳定性更好的产品［2］
。从生产到实际应用，金刚石工具要经历两次受热过程：(1)将其制作成刀具时，所经历的切割及焊接加热过程，如果金刚石产品的热稳定性低，较高的焊接加热温度将会引起金刚石层损伤，对其组织结构产生不利影响，从而影响刀具的使用性能；(2)在切削加工过程中，切削刃受热，此时，如果金刚石产品的热稳定性低，刀具就会很快磨损，从而影响加工质量，降低刀具的使用寿命，使生产效率下降、增加生产成本等。由此可见，金刚石工具的热稳定性直接关系到其本身的应用的发展前途。渐渐地，对金刚石工具产品性能的评估，不再局限于强度、硬度、耐磨性等，而是加入热稳定性指标的综合评价。
3.1聚晶金刚石热稳定性与环境的关系
与单晶金刚石的热稳定性类似，在不同环境中，聚晶金刚石的热稳定性差别很大。分别在氢气、氮气、空气中，将去掉硬质合金基体的聚晶金刚石复合片从600℃加热到800℃［14］
。在对PCD表面显微分析中得出：氢气中，PCD表面从700℃～750℃开始有明显的恶化；氮气中，几乎在600℃粘结相就开始从晶界渗出，随着温度的升高越来越明显，至约750℃时发现PCD表面有碎裂的迹象，达到800℃时则损伤相当严重；空气中，在约600℃时，PCD 面出现损伤，并伴随着Co粘结相被挤出PCD表面，其形状为球形，主要是因为粘结相的氧化物与金刚石的氧化物互不润湿。而且发现在细微晶粒间有微小裂纹的存在。可见，不同的环境对热腐蚀的进程，分别有促进和抑制的作用。
3.2聚晶金刚石热稳定性与粘结剂的关系
粘结剂的种类、多少和有无对聚晶金刚石的热稳定性影响非常大。许多新型的聚晶金刚
石刀具产品的热稳定性能好的原因主要就是因为对粘结剂的调整。在PCD的制作工艺过程中，基体的WC-Co起到润湿金刚石颗粒作用的同时，也会出现在最终形成的产品中。这些残余的金属相对其性能产生很大的影响。例如，Syndite(De Beers公司的注册商标)是以Co作为粘结剂的。一般认为其受热不宜超过700℃。钴在高温低压下与碳具有较强的亲和力，促使金刚石转化为石墨，从而降低它的强度；再者，金刚石和钴之间的热膨胀系数不同，在高温下将导致应力增加，而在PCD内部形成微裂纹。
不同的粘结剂具有不同的效果［2］
。Be Deers公司的产品Syndax3是以陶瓷材料β-SiC作为粘结剂的，此粘结剂化学性稳定，且其热膨胀系数与金刚石接近。因些，在惰性气氛中，其热稳定性可以允许加热到1200℃。
而以Ni基合金作为粘结剂的SDB 1000产品比以Co作为粘结剂的SDA产品具有高的热稳定性，是因为Ni基合金导致晶粒显示出特别的立方八面体结构，致使在车削中晶粒破裂失效的方式不同，从而改变了其磨损性能，提高了热稳定性。
用Si-Ti-B系粘结剂的聚晶金刚石，热稳定性可达1100～1300℃。粘结剂添加量的多少亦会产生较大的影响。实践证明，以添加10%～15%粘结剂的聚晶金刚石的热稳定性为好。达到20%时，聚晶金刚石的热稳定性明显变差。
若是干脆没有粘结剂，则热稳定性会更好。CVD薄膜或厚膜由于没有粘结剂对热稳定性的负面影响，其热稳定性要好于PCD。如CVD薄膜CVDITE产品更是具有高耐磨性、高热稳定性和化学惰性，特别适用于高速干切削［15］
。
3.3聚晶金刚石热稳定性与粒度的关系
显然，粒度的大小与金属相的含量有一定的对应关系。细粒度PCD层具有较多的金属相，受热后被挤出的量也大，且PCD层内有较大的压应力。而粗粒度PCD层具有较少的金属相，受热后被挤出的量也少，PCD层的压应力也小。细粒度的PCD要比粗粒度的PCD热稳定性差。当聚晶金刚石复合片加热超过700℃时，PCD层中的金刚石颗粒失去其完整性［16］，而使PCD刀具的切削性能下降。
3.4提高聚晶金刚石热稳定性的一些方法
当前研究聚晶金刚石性能的重点之一，就是提高聚晶金刚石的热稳定性。改变成分是有效的手段，特别是采取多种形式加入硼(B)，使之生成带有硼化物的材质，改善导热性能，目前已可承受1200～1450℃［1］
。但当硼含量过高时，聚晶金刚石的综合性能变差。针对粘结剂对聚晶金刚石热稳定性的不利影响，在制作工艺上，采用特殊的酸处理将金属相去掉，
可使其耐热性达到1200～1300℃［17］
。
类似于单晶金刚石的热稳定性影响因素，聚晶金刚石的热稳定性影响因素也可以归纳为两类：(1)聚晶金刚石所处的环境；(2)聚晶金刚石自身的结构特征。二者亦是相互影响，密不可分的。而且各影响因素之间也是互相影响，情形比较复杂。特别是粘结剂的影响，几乎起着决定性的作用。
4问题讨论
由于生产加工(如钎焊PCD复合片于硬质合金刀体上，需要确定最佳钎焊温度)和实际应用(不同的刀具热稳定性适应于不同的加工环境)中，金刚石工具产品的热稳定性越来越受到关注，这促使研究工作不断的深入。然而，综上可见，不同的厂家各自用不同的标准来度量产品的热稳定性。
现有单晶金刚石热稳定性研究所使用的方法和概念比较模糊。热重法只能粗略的给出热
稳定性范围，在此种方法实施的过程中，并不知道是否有金刚石所含杂质元素或粘结剂的氧化物、碳化物等的产生来增重，它应是增重减重综合作用的结果。其缺点是：不利于分
析热稳定性的机理。而且单纯从受热后其强度、耐磨性等性能的改变来确定金刚石的热稳定性，就象不考虑热稳定性来评价金刚石工具质量一样。又由于金刚石品质以及试验条件不同等原因，试验结果也不尽相同。而且，影响因素繁多，各因素之间也相互影响。如磁性与杂质含量，强度与晶粒粒度、形状，磁性与强度，杂质与颜色等，都具有很强的相关性。应采用一种能够体现各影响因素之间有关联性的方法，进行金刚石热稳定性的评价。这同时也有利于机理方面的分析。聚晶金刚石热稳定性的研究有类似的情况，测试某一性能的改变量不足以说明问题。受热后性能的改变应是各因素综合作用的结果，亦应考虑各因素之间的相关性，采用能够体现各因素之间有关联度的方法。
由以上金刚石工具热稳定性研究的数据和结论可知，所使用的热稳定性的标识很多：如氧化温度、失重温度、石墨化温度、强度突变温度、燃烧温度、热腐蚀、耐蚀性、耐热性等等，热稳定性概念模糊。众所周知，金刚石在常压下是碳的亚稳态，一定条件下可以由金刚石碳(Cd)转化为石墨碳(Cg)或不定形碳。即发生下列可逆反应。
)()(Cd石墨碳金刚石碳一定条件下
→←(1)
gC
从而改变了原有的晶体结构，使一系列的性能发生了改变。因此，根据式(1)，用“抗可逆转化”温度，即相变点，作为热稳定性的度量，应具有较好的实用性和机理说明度。在实际研究中，结合金刚石工具受热后微观结构的改变和各性能的变化，综合分析，应能较好地确定热稳定性。这样即有利于从机理上分析其热稳定性，又可在实际应用中明确其适用范围。
5结语
据报导：2005年，全世界的切削刀具将卖到25亿美元［
18］
，金刚石工具的市场前景广阔。人们在改进原产品性能的同时，亦不断的进行新的尝试。并且在理论与应用研究中都有
新的突破：沈主同先生基于原子和分子的界面连接理论［19］
可为产生新的类似金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等性能好的结构材料，提供可靠的理论依据。应用研究的发展也很快，
对于聚晶金刚石，粘结剂的种类层出不穷。以铁(Fe)作为粘结剂合成的聚晶金刚石［20］，具有比现有的钴(Co)粘结剂合成的PCD更好的性能。特别是在世界范围内，Co资源紧张的形势下，Fe的价格优势可想而知；另外，突破金属粘结剂的局限，采用双氧化物Y3Fe5O12作
为粘结剂［20］
进行聚晶金刚石的合成所得的产品，具有高硬度，耐热性可达900℃。日本研制的DA2200(日本住友公司注册商标)具有PCD的优越性能，同时具有硬质合金的强度，特别适合于对刀具要求强度大又必须保证质量的场合［22］
。总之，新产品的不断研制成功、新合成原理的不断涌现，都更加要求作为金刚石工具性能重指标之一的热稳定性，能够统一的度量和标识。这不但有利于使用产品的用户，而且亦有利于从事热稳定性的研究工作，反过来又会大大促进热稳定性研究的发展。为金刚石工具的使用和发展做出应有的贡献。
参考文献
1 方啸虎.超硬材料基础与标准.中国建材工业出版社，1998，pp4-19；112-117
2 De Beers Industrial Diamonds Division. Introduction of New Products,1998.11
3 熊湘君，陈启武等.金刚石热稳定性研究.地质与勘探，1999(5)，vol.35No.3,pp62-65
4 关长斌等.人造金刚石热稳定性的研究.磨料磨具与磨削，1993.4(76)pp19-21
5 臧建兵等.金刚石热稳定性的几个方面和影响因素的探讨.金刚石与磨料磨具工程，997.5(101)pp5-7
6 E.M.Trent. Metal Cutting(2nd Ed.), Butterworths,1983,pp164-167
7 李享德等.人造金刚石热稳定性研究.磨料磨具与磨削，1995.3(87)pp2-6 8 李享德，张弘韬等.人造金刚石的磁性对其强度与热稳定性的影响.金刚石与磨料磨具工程，1997.2(98)pp2-5
9 娄性义.硼对人造金刚石热稳定性的影响.磨料磨具与磨削，1982，pp17-19，34 10 胡国荣，刘业翔等.化学镀膜金刚石的高温耐蚀性研究.金刚石与磨料磨具工程，2000.2(116)pp3-6
11 林增栋.金刚石表面的金属化.磨料磨具与磨削，1987.2(38)pp1-5
12 Bert P. Erdel, PCD tipped cutting tool systems for best in class manufacturing. Applications of Diamond Films and Related Materials: Third International Conference,1995,pp217-221
13 Bex,P.A., Shafto.G.R., The influence of temperature and heating time on PCD Performance. Industrial Diamond Review,1984.3 pp128-132
14 D.Miess, G.Rai. Fracture toughness and thermal resistance of polycrystalline diamond compacts. Materials Science and Engineering A209,1996,pp270-276
15 J.L.Collins. New CVD diamond products. Industrial Diamond Review,1999.3,pp212-213 16 Lin, Tze Pin. Material Characterization Of Polycrystalline Diamond Compacts (PDC). University Of California,Ph.D.Dissertation,Berkeley,1992 17 U.S.Patent 4288248
18 Anon. Global cutting tool sales to reach US$25billion in 2005. Metal Powder Report,June 1995,pp11-12
19 Z.T.Shen. A study of interface binding theory. Materials Science and Engineering A209,1996,pp30-32
20 Anon. Diamond tools enter iron age. Metal Powder Report,December 1997,pp10-12
21 H.Sumiya S.Satoh. Synthesis of polycrystalline diamond with new non metallic catalyst under high pressure and high temperature. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials,17(1999)pp345-350
22 Yasuyuki KANADA, Tomohiro FUKAYA. Development of a Tougher Grade of Polycrystalline Diamond Cutting Tool,Int.J.Japan Soc.Prec.Eng.,Mar.1999,Vol.33,No.l,pp6-9
金刚石材料 基本概念：金刚石就是我们常说的钻石（钻石是它的俗称），它是一种由纯 碳组成的矿物。金刚石的化学式NC----N个C,金刚石是原子晶体,一块金刚 石是一个巨分子,N个C的聚合体.只能用它的结构式表示. 代表材料：天然单晶金刚石，人造单晶金刚石，人造聚金刚石，CVD金刚石膜 1、天然单晶金刚石 天然单晶金刚石是一种各向异性的单晶体。硬度达HV9000-10000，是自 然界中最硬的物质。这种材料耐磨性极好，制成刀具在切削中可长时间保持尺 寸的稳定，故而有很长的刀具寿命。天然金刚石刀具刃口可以加工到极其锋 利。可用于制作眼科和神经外科手术刀；可用于加工隐形眼镜的曲面；可用于金刚石手术刀 切割光导玻璃纤维；用于加工黄金、白金首饰的花纹；最重要的用途在于高速超精加工有色金属及其合金。如铝、黄金、巴氏合金、铍铜、紫铜等。用天然金刚石制作的超精加工刀具其刀尖圆弧部分在400倍显微镜下观察无缺陷，用于加工铝合金多面体反射镜、无氧铜激光反射镜、陀螺仪、录像机磁鼓等。表现粗糙度可达到Ra(0.01-0.025)μm。 天然金刚石材料韧性很差，抗弯强度很低，仅为(0.2-0.5)Gpa。热稳定性差，温度达到700℃-800℃时就会失去硬度。温度再高就会碳化。另外，它与铁的亲和力很强，一般不适于加工钢铁。 2、人造单晶金刚石 人造单晶金刚石作为刀具材料，市场上能买到的目前有戴比尔斯(DE-BEERS) 生产的工业级单晶金刚石材料。这种材料硬度略逊于天然金刚石。其它性能都与 天然金刚石不相上下。由于经过人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一。人造单晶金刚石刀具 随着高温高压技术的发展，人造单晶金刚石最大尺寸已经可以做到8mm。由于这种材料有相对较好的一致性和较低的价格，所以受到广泛的注意。作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石的应用将会有大的发展。 3、人造聚晶金刚石 人造聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下将金刚石微粉加溶剂聚合而成的多晶体材 料。一般情况下制成以硬质合金为基体的整体圆形片，称为聚晶金刚石复合片。根据 金刚石基体的厚度不同，复合片有1.6mm、 3.2mm、4.8mm等不同规格。而聚晶金Pcd 金刚石刀具 刚石的厚度一般在0.5mm左右。目前，国内生产的PCD直径已经达到19mm，而国外如GE公司最大的复合片直径已经做到58mm，戴比尔斯公司更达到了74mm。 根据制作刀具的需要可用激光或线切割切成不同尺寸和角度的刀头，制成车刀、镗刀、铣刀等。 PCD的硬度比天然金刚石低(HV6000左右)，但抗弯强度比天然金刚石高很多。另外，通过调整金刚石微粉的粒度和浓度，使PCD制品的机械物理性能发生改变，以适应不同材质、不同加工环境的需要，为刀具用户提供了多种选择。 PCD刀具比天然金刚石的的抗冲击和抗震性能高出很多。与硬质合金相比，硬度高出3-4倍；耐磨性和寿命高50-100倍；切削速度可提高5-20倍；粗糙度可达到Ra0.05μm。切削效率高、加工精度稳定。 PCD同天然金刚石一样，不适合加工钢和铸铁。这种刀具主要用于加工有色金属及非金属材料，如：铝、铜、锌、金、银、铂及其合金，还有陶瓷、碳纤维、橡胶、塑料等。PCD
聚晶金刚石刀具 聚晶金刚石刀具 1．聚晶金刚石（PCD）刀具概述 1.1 PCD刀具的发展 金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。 1.2 PCD刀具的性能特点 金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。 PCD刀具材料的主要性能指标：①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍；②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6～1.18×10 -6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。 1.3 PCD刀具的应用 工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD 刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明：人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，De
PCD刀具重要的制造技术 1、聚晶金刚石刀具（PCD）的制造过程主要包括两个阶段：①PCD复合片的制造：PCD复合片是由天然或人工合成的金刚石粉末与结合剂（其中含钴、镍等金属）按一定比例在高温（1000～2000℃）、高压（5～10万个大气压）下烧结而成。 在烧结过程中，由于结合剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分的结合桥，金刚石晶体以共价键形式镶嵌于结合桥的骨架中。通常将复合片制成固定直径和厚度的圆盘，还需对烧结成的复合片进行研磨抛光及其它相应的物理、化学处理。②PCD刀片的加工：PCD刀片的加工主要包括复合片的切割、刀片的焊接、刀片刃磨等步骤。 2、PCD复合片的切割工艺 由于PCD复合片具有很高的硬度及耐磨性，因此必须采用特殊的加工工艺。目前，加工PCD复合片主要采用电火花线切割、激光加工、超声波加工、高压水射流等几种工艺方法，其工艺特点的比较如下。 PCD复合片切割工艺的比较： 工艺方法－工艺特点 电火花加工－高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力使PCD材料中的金属融化，部分金刚石石墨化和氧化，部分金刚石脱落，工艺性好、效率高 超声波加工－加工效率低，金刚石微粉消耗大，粉尘污染大 激光加工－非接触加工，效率高、加工变形小、工艺性差 在上述加工方法中，电火花加工效果较佳。PCD中结合桥的存在使电火花加工复合片成为可能。在有工作液的条件下，利用脉冲电压使靠近电极金属处的工作液形成放电通道，并在局部产生放电火花，瞬间高温可使聚晶金刚石熔化、脱落，从而形成所要求的三角形、长方形或正方形的刀头毛坯。电火花加工PCD 复合片的效率及表面质量受到切削速度、PCD粒度、层厚和电极质量等因素的影响，其中切削速度的合理选择十分关键，实验表明，增大切削速度会降低加工表面质量，而切削速度过低则会产生“拱丝”现象，并降低切割效率。增加金刚石刀具（PCD）刀片厚度也会降低切割速度。 3、PCD刀片的焊接工艺 PCD复合片与刀体的结合方式除采用机械夹固和粘接方法外，大多是通过钎焊方式将PCD复合片压制在硬质合金基体上。焊接方法主要有激光焊接、真空扩散焊接、真空钎焊、高频感应钎焊等。目前，投资少、成本低的高频感应加热钎焊在PCD刀片焊接中得到广泛应用。在刀片焊接过程中，焊接温度、焊剂和焊接合金的选择将直接影响焊后刀具的性能。在焊接过程中，焊接温度的控制十分重要，如焊接温度过低，则焊接强度不够；如焊接温度过高，PCD容易石墨化，并可能导致“过烧”，影响PCD复合片与硬质合金基体的结合。 在实际加工过程中，可根据保温时间和PCD变红的深浅程度来控制焊接温度（一般应低于700℃）。国外的高频焊接多采用自动焊接工艺，焊接效率高、质量好，可实现连续生产；国内则多采用手工焊接，生产效率较低，质量也不够理想。 4、PCD刀片的刃磨工艺 PCD的高硬度使其材料去除率极低（甚至只有硬质合金去除率的万分之一）。目前，聚晶金刚石刀具（PCD）刃磨工艺主要采用树脂结合剂金刚石砂轮进行磨削。由于砂轮磨料与PCD之间的磨削是两种硬度相近的材料间的相互作用，因此其磨削规律比较复杂。对于高粒度、低转速砂轮，采用水溶性冷却液可
金刚石刀具的种类与选用 摘要:简要介绍了金刚石材料的的主要性能特点?并对近几年来正在迅速发展的金刚石切削刀具的特点、性能、种类及其选用方法作了较为详细的叙述。 关键词：天然金刚石聚晶金刚石PCI刀具CVD刀具切削性能刀具寿命 目前世界上金刚石的年耗量大约以8%——10%的速度增长?有人预言21世纪将是金刚石全面应用的时代，我国对人造金刚石的研究与应用始于20世纪70年代，并于1969年在贵阳建造了第1个人造金刚石及其制品的专业生产厂——第六砂轮厂。从1970——1990年，人造金刚石年产量从46万克拉增至3500万克拉。20世纪90年代前后，从国外引进了先进设备及金刚石生产技术，产量迅速增，1997年我国人造金刚石年产量已达到5亿克拉左，生产量位居世界首位。 金刚石是碳的同素异形体，是目前已知的最硬物质?其显微硬度可达HV10000，作为刀具材料，也是目前最硬的，并已得到广泛应用。在合适的切削加工条件下，金刚石刀具比高速钢、硬质合金、陶瓷和聚晶立方氮化硼等刀具的使用寿命都要长。特别是用金刚石刀具切削加工铜、铝等有色金属和非金属耐磨材料时特别有效?其切削速度可比硬质合金刀具高一个数量级，例如铣削铝合金的切削速度为3000——4000m/min，甚至可达到7000m/min，且这时的金刚石刀具使用寿命也比硬质合金刀具高几十、甚至几百倍。 金刚石刀具不但可用于一般的车、镗、铣削，还成功地用于精密孔的加工前保证光刻胶线宽与设计一致，并且在需要电铸的部位光刻胶显影干净，在电铸时调整电铸条件和参数得到最佳的电铸效果?只有满足以上工艺要求制备的微弹簧才能获得较好的力学性能。当微弹簧所受拉力增大，便脱离弹性阶段，此时拉力-伸长曲线进入第2段，变为非线形 金刚石刀具的种类较多，可分为：单晶金刚石刀具、聚晶金刚石（PCD)、聚晶金刚石复合片（PCD)、CVD金刚石刀具和电镀金刚石刀具。 单晶金刚石刀具 单晶金刚石有天然的（ND)和人工合成的2种(单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的，一般其质量要大于0.1g其最小直径和长度均不得小于3mm，单晶金刚石刀具主要用于对表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密加工领域。 天然单晶金刚石是金刚石中最耐磨的材料(它本身质地细密，经过精细研磨，切削刃的刃口圆弧半径可小到0.010——0.002um。但天然单晶金刚石较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向，使用条件较为苛刻，且资源有限，价格十分昂贵(天然单晶金刚石刀具主要用于某些有色金属的超精密切削加工或用于黄金首饰的生产加工中。 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，南非DC Boors公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达9——10mm，使人工合成单晶金刚石的应用在工业生产中得到了迅速的发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时，其切削性能要优于PCD金刚石,不会引起刃口的过早钝化。 聚晶金刚石及其复合刀片（PCD/CC） PCD是在高温、高压下，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。其硬度虽然稍低于单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，用作切
聚晶金刚石复合片及其生产工艺简述 （1）聚晶金刚石复合片 全部选用国产原材料，经过重新整形、提纯、净化、配料、组装等工序，在国产六面顶（液）压机上，采用先进的超高压-高温合成工艺，生产聚晶金刚石 复合片坯料 (1)???? Polycrystalline diamond compact (PDC) ?Select and use domestic raw materials, and after the procedures of re-coining, purification, purging, burdening and assembling, use advanced ultra high pressure-high temperature synthesis technology to produce polycrystalline diamond compact (PDC) billet on the domestic cubic (hydraulic) press. ? 聚晶金刚石复合片具体生产工艺简述： 1）根据订单和公司计划下达生产任务单； 2）原料、辅料的购置； 3）整形：对金刚石的形状进行严格控制，对所购原料进行重新整形，尽量去除长条形等不规则形状的金刚石颗粒，获得圆度好的、基本上为球形的金刚石 颗粒； Introduction of the specific production technology of polycrystalline diamond compact (PDC): 1) Assign production tasks in accordance with the orders and company plan; 2) Purchase raw materials and auxiliary materials; 3) Coining: strictly control the diamond shape, re-coin the purchased raw materials, and do the best to eliminate the diamond particles with irregular shapes such as strip ones to obtain diamond particles with good roundness and which are basically spherical. ? 4) 分级：将混合粉料放入烧杯中，加入超净化去离子水，搅拌混合均匀，根据不同粒度沉降时间不同的原理选取所需粒度，使用激光粒度分析仪对粒度的 分布进行精确测量； 5）净化：对金刚石微粉、钴粉及其他原料进行氢气还原处理；氢气还原处理工艺：在氢气还原炉中处理，依据材料的不同选择不同的处理温度，大致范围 为500-800℃； 4) Classification: put the mixed powder into the beaker, add super-purgative deionized water, stir and mix it evenly, select required particle size in accordance with the settling time theory of different particle sizes, and use the laser particle size analyzer to accurately measure the distribution of particle sizes; 5) Purification: perform hydrogen reductive treatment to diamond micro-powder, cobalt powder and other raw materials; hydrogen reductive treatment techniques: process it in the hydrogen reducing furnace, select different treatment temperatures in accordance with different materials, and the proximate range should be between 500-800℃; ? 6）配料：按照一定的比例将金刚石与钴粉、以及少量的微量元素进行混合，其中金刚石的粒度严格控制，强调平均粒度以及不同粒度的配合比例。所配原料
XX大学2014～2015 学年秋季学期研究生课程考试 课程名称：课程编号： 论文题目：刀具材料PCD概述 研究生：学号： 论文评语： 成绩：任课教师： 评阅日期：
刀具材料PCD概述 摘要：好的刀具材料是制造出好的刀具的前提，更是加工出好的产品的关键。随着制造业的快速发展，金刚石刀具的生产和应用正在逐年增加。天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是PCD。本文针对刀具材料PCD做了比较系统的论述，主要包括PCD材料的介绍，PCD复合片及刀具的制造技术，PCD 复合片的主要优缺点以及PCD刀具材料的应用。 关键词：PCD；材料；刀具 The overview about cutting tool materials of PCD Abstract:Good tool material is a prerequisite to create a good tool, it is also a key processing of making a good product .With the sharp development of making industry, production and application of diamond tools is increasing year by year.Natural diamonds are expensive,PCD is widely used in cutting .This paper makes a systematic introduction of tool material PCD,including the introduction of PCD materials ,the manufacturing techniques of PCD composite sheet and tool, the main advantages and disadvantages of PCD composite sheet materials and the application of PCD tools. Key words:PCD;Materials ; Tool
3 聚晶金刚石的热稳定性研究 聚晶金刚石的热稳定性确定了其应用范围[12]，对其研究越来越受到人们的关注。由于聚晶金刚石受热后，其使用性能会受到很大影响，所以很自然地从受热前后聚晶金刚石性能的改变来研究其热稳定性。并有定义[13]为：聚晶金刚石复合片的耐热性是指它在空气中或保护气氛中加热而耐磨性基本保持不变所能承受的温度与相应的时间。单以耐磨性来评定聚晶金刚石的热稳定性，未免有失偏颇。目前，测量加热后聚晶金刚石性能改变量成为研究其热稳定性的主要手段。在世界范围内，测定耐热性的方法主要有三种[1]：(1)英国De Beers 公司是将其置于空气中用马弗炉加热，同时将其置于还原气氛(95%H2+5%N2)中用还原炉加热，至某一温度，并保持一段时间，然后测定其失重、耐磨性、石墨化程度和抗冲击性能;(2)英国De Beers 公司还有用热量—差热分析仪，并配以高温显微镜，来测定其初始氧化温度，以此来确定氧化度、耐热性;(3)美国GE 公司是将加热过的烧结体，用扫描电镜作断口分析及车削试验，切削速度为107～168m/min，进给量为0.13mmPR。国内的研究手段大多类似于方法二，采用差热—热重法。并用差热、热重曲线来分析温度点，以此来确定聚晶金刚石的氧化温度、石墨化温度等。研究表明，聚晶金刚石的热稳定性与许多因素有关。 3.1 聚晶金刚石热稳定性与环境的关系 与单晶金刚石的热稳定性类似，在不同环境中，聚晶金刚石的热稳定性差别很大。分别在氢气、氮气、空气中，将去掉硬质合金基体的聚晶金刚石复合片从600℃加热到800℃[14]。在对PCD 表面显微分析中得出：氢气中，PCD 表面从700℃～750℃开始有明显的恶化;氮气中，几乎在600℃粘结相就开始从晶界渗出，随着温度的升高越来越明显，至约750℃时发现PCD 表面有碎裂的迹象，达到800℃时则损伤相当严重;空气中，在约600℃时，PCD 面出现损伤，并伴随着Co 粘结相被挤出PCD 表面，其形状为球形，主要是因为粘结相的氧化物与金刚石的氧化物互不润湿。而且发现在细微晶粒间有微小裂纹的存在。可见，不同的环境对热腐蚀的进程，分别有促进和抑制的作用。 3.2 聚晶金刚石热稳定性与粘结剂的关系 粘结剂的种类、多少和有无对聚晶金刚石的热稳定性影响非常大。许多新型的聚晶金刚石刀具产品的热稳定性能好的原因主要就是因为对粘结剂的调整。在PCD 的制作工艺过程中，基体的WC-Co 起到润湿金刚石颗粒作用的同时，也会出现在最终形成的产品中。这些残余的金属相对其性能产生很大的影响。例如，Syndite(De Beers 公司的注册商标)是以Co 作为粘结剂的。一般认为其受热不宜超过700℃。钴在高温低压下与碳具有较强的亲和力，促使金刚石转化为石墨，从而降低它的强度;再者，金刚石和钴之间的热膨胀系数不同，在高温下将导致应力增加，而在PCD 内部形成微裂纹。不同的粘结剂具有不同的效果[2]。Be Deers 公司的产品Syndax3 是以陶瓷材料β-SiC作为粘结剂的，此粘结剂化学性稳定，且其热膨胀系数与金刚石接近。 因些，在惰性气氛中，其热稳定性可以允许加热到1200℃。而以Ni 基合金作为粘结剂的SDB 1000 产品比以Co 作作为粘结剂的SDA 产品具有高的热稳定性，是因为Ni 基合金导致晶粒显示出特别的立方八面体结构，致使在车削中晶粒破裂失效的方式不同，从而改变了其磨损性能，提高了热稳定性。用Si-Ti-B 系粘结剂的聚晶金刚石，热稳定性可达1100～1300℃。粘结剂添加量的多少亦会产生较大的影响。实践证明，以添加10%～15%粘结剂的
PCD铣刀： 聚晶金刚石(PCD)刀具是通过把PCD复合片焊接到硬质合金或者钢的刀体上制成的刀具。由于PCD复合片将单晶金刚石的高硬度、耐磨性、低摩擦系数和强度与碳化钨硬质合金的高抗弯强度进行了结合，复合片的碳化钨硬质合金层为金刚石层提供了机械支持，增加了它的抗弯强度，同时硬质合金层易于焊接，使制作成品刀具变得容易。 与其它刀具材料相比，聚晶金刚石具有如下特点：① 极高的硬度和耐磨性；② 高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；③ 摩擦系数小，可降低加工表面粗糙度。 采用PCD刀具加工铝合金时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲和力小，且刀具前刀面都抛光成镜面，不易产生积屑瘤，加工尺寸稳定性以及表面质量都很好。采用PCD刀具加工各种规格铝合金零件，刀具寿命可达几千到几万件，尤其适合汽车、摩托车零件的大规模生产。PCD刀具还广泛用于其它有色金属和非金属材料的高速加工，被广泛应用于汽车、航空航天、电子和木材加工等领域。 PCD刀片： PCD刀片是指具有整体PCD切削刃的硬质合金基体刀片。PCD复合片切削刃被直接焊在硬质合金基体上，因此消除了金刚石和硬质合金之间的缝隙，可避免切屑堵塞。为在精加工非铁金属尤其是铝材料时有效控制切屑，国外开发出一种带有断屑器的PCD刀片。 PCD刀片的特点在于金刚石具有硬度高、抗压强度高、导热性以及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。PCD刀片主要应用于以下两个方面：①难加工，有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀片则可表现出良好的加工性能，用PCD刀片可有效的加工过共晶硅铝合金。②难加工非金属材料的加工，PCD刀片非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料、人造板材等难加工非金属材料的加工。 PCD刀片材料的主要性能指标： ①PCD的硬度大于8000HV，为硬质合金的80-120倍； ②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5-9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀片热量传递迅速； ③PCD的摩擦系数一般仅为0.1-0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4-1），因此PCD刀片可显著减小切削力；
聚晶金刚石的高压合成工艺研究毕业论文 目录 1 绪论·1 1.1拉丝模概述 (1) 1.2拉丝模分类及发展状况 (2) 1.3拉丝模的孔型结构 (6) 1.4拉丝模的破坏及磨损研究 (8) 1.4.1拉丝模的破坏形式 (8) 1.4.2拉丝模的磨损 (10) 1.5聚晶金刚石拉丝模坯材料的发展及研究现状 (14) 1.6研究目的及意义 (17) 2 实验过程及测试方法·18 2.1实验材料及设备 (18) 2.2PCD拉丝模的制备过程 (19) 2.3实验测试方法与分析 (21) 2.3.1扫描电镜及能谱分析 (21) 2.3.2维氏硬度 (21) 2.3.3磨耗比 (22) 3 PCD拉丝模芯的合成工艺研究·24 3.1烧结时间对力学性能的影响 (24) 3.1.1烧结时间对显微维氏硬度的影响 (24) 3.1.2烧结时间对磨耗比的影响 (26) 3.2烧结温度对力学性能的影响 (27) 3.2.1烧结温度对显微维氏硬度的影响 (28) 3.2.2烧结温度对磨耗比的影响 (30) 3.3PCD拉丝模坯的显微形貌及能谱分析 (31)
3.3.1烧结时间对显微形貌的影响 (31) 3.3.2烧结温度对显微形貌的影响 (32) 3.3.3PCD拉丝模坯的能谱分析 (33) 4PCD拉丝模坯高压烧结过程及机理 (35) 4.1PCD拉丝模坯的烧结过程 (35) 4.2PCD拉丝模坯的烧结机理 (36) 5结论 (39) 参考文献·40 致谢·42
1 绪论 1.1拉丝模概述 拉丝模是拉制各种金属线材的重要工具。在拉丝过程中，金属丝通过模孔发生塑性变形达到预定的尺寸精度及表面质量。拉丝模的适用围十分广泛，主要应用于拉拔线材、丝材、棒材、管材等直线型难加工物体，适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工[1]。 作为拉拔线材的生产企业，要想降低成本，获得稳定长时间的拉拔，精确的尺寸，较好的表面质量，没有高质量的拉丝模具是难以实现的。国外金属制品工业为提高竞争能力，对于拉丝模质量和制造工艺的改进十分重视，从提高拉丝模寿命入手，对拉丝模的材质、结构、制造工艺、制造设备以及检测仪器等进行了系统的研究，开发出复合拉丝模、拉丝模新材料、表面涂层新技术、拉丝模新的孔型设计方法等，推动了世界拉丝生产技术的发展。 我国拉丝模制造工业已经有很长的历史，上世纪八十年代随着拉丝制造的水平不断提高以及生产工艺的不断改进，我国的拉丝模制造技术有了较大的进步，尤其是在拉丝模的材质、结构等方面有了很大进步。尽管我国线材生产量居世界前列，但总的来说和国外还有不小的差距。外国所用的材料和拉丝工艺更加先进，拉丝模的加工精度、耐用性、耐磨性等指标均优于我国的产品[2]。因此，我国的拉丝制造业要加强制模管理、提高拉丝模具的质量，并且改善拉丝模具的制造工艺，以提高我国拉丝模业得迅速发展。
材料比重杨氏模量维氏硬度热量系数热膨胀系数 金刚石 3.52 99 79000 5.0 3.1 表 1 金刚石膜的性质 Table 1 Properties of chamond film 注:*在所有已知物质中占第一,**在所有物质中占第二,***与茵瓦(Invar)合金相当。 性质：又称导热系数，热传导系数（heat transfer coefficient）。反应物质的热传导能力。按傅里叶 定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递 的热量。单位为W/(m·K)。是物质的物性常数。 在绝大多数方面，CVD 金刚石具有与天然金刚石、人工合成金刚石单晶相似的物理、化学性质。CVD 金刚石由碳元素单一元素组成，里面不含结合剂。但由于它是由金刚石微晶交互生长形成，因此CVD 金刚石是一种聚晶材料。与诸多其他通过薄膜技术生长的材料一样，CVD 金刚石是通过晶核交互生长得到的，且随着晶粒的不
断长大，金刚石层也不断变厚，逐渐长成柱状组织结构。 CVD 金刚石的化学稳定性好，热导率和耐磨性也非常出色。根据所采用的合成技术的不同，可以分别制备出具有特殊性能的材料，为科学研究和工业生产提供新技术、新机会。上表列出了CVD 金刚石与金刚石单晶以及Syndite （元素六PCD 产品）的热学、机械性质，以便比较。CVD 金刚石的机械性能可以通过设计来满足具体应用的要求。CVD 金刚石的多数光学性质都与生长合成出材料的等级有关：一部分经过专门加工制成透光材料（可见光范围内），用作激光窗口等元器件；还有一部分材料虽然看起来是不透明的，但是对于特殊光学元件来说，它们在红外区域理论上具有最大的透过率。
这种情况下会造成初期的时候机械钻度速度很快但又会很快下降并使钻头报废。采用切割片，可选用较大尺寸的复合片，使钻头底唇在钻进过程中保持比较好的圆弧底唇，使复合片得到充分的利用，从而使钻头获得较长的寿命。 4、钻头的制造，除了机械加工，复合片钻头制造的关键环节是基体的制造和复合片的焊接。基体制造。聚晶金刚石复合片钻头模具是由底模、中模、上模三部分组成，中模和上模设计、加工都很容易实现，但底模是具有复杂曲面特征的实体，钻头冠部形状参数、切削齿位置和方向参数、水力结构参数等都是通过底模的形状来保证的，因此，聚晶金刚石复合片钻头底模的设计和加工是聚晶金刚石复合片钻头模具设计和加工的关键。目前我国聚晶金刚石复合片钻头模具的制造主要有二种方法。一是普通车床车削，通过手工划线定位、普通铣床铣削完成加工，再通过多道工序最终。这种加工方法设备的精度低、人为误差大，难以控制和保证质量，工人劳动强度大、生产成本高、工作效率低。二是通过数控机床加工，通过数控加工指令，利用数控机床进行加工，形成钻头的冠部形状和切削齿的定位，再通过手工修模等工序形成模具。这种加工方法并未实现完全意义上的数控加工，切削平面确立、过渡等过程仍需手工进行，同样存在人为误差，加工出的钻头底模模具精度低。另外，由于复合片其基体为硬质合金，聚晶层为单晶的金刚石微粉和粘接金属，是由两层不同的材料组成，因此，在加热时，由于两层的不同材料的热膨胀系数不同，于是在粘接金属和金刚石之间聚晶层与基体之间产生一定程度的应力，这种应力导致复合片在不高的温度时就容易破坏。为了避免复合片的破坏，目前来说复合片的焊接温度均小于750° 二、钻头失效原因及对策 聚晶金刚石复合片具有一些特殊的性能比如：(1)硬度极高。聚晶金刚石复合片是目前人造材料中最硬的，硬度大约为10000HV左右，甚至其硬度比硬质合金都要高很多；（2）耐磨性很高;(3)热稳定性好;在聚晶金刚石复合片钻头的工作环境中，井底环境较为复杂，另外钻进过程中会产生并累积大量的热量，热量累积过多的时候就会影响钻头使用。(4)抗冲击能力好。聚晶金刚石复合片抗冲击以及韧性、粘结强度是一个综合性能指标，很大程度上决定聚晶金刚石复合片钻头使用效果。 钻头失效一般有以下磨损。 1、平滑磨损 PDC切削齿的平滑磨损的特征是磨损面宏观上表现为较为平整，其金刚石层和WC基托均在切削过程中被磨损而形成磨损平面。在切削过程中，因为WC硬度要比金刚石低，所以WC基托会最早遭受磨损，一旦WC基托被磨损之后临近WC基托的金刚石就失去了有效支撑，容易形成唇边. 在唇边生成之后又在频繁的切削力作用下，唇边承受着拉应力，并导致拉应力裂纹出现并逐渐扩展，最终唇边断裂，唇边破裂之后会导致未破裂的金刚石层与岩石接触面积减少，承受应力更大，恶性循环之后又加速导致金刚石片的破裂，一旦金刚石片整个接触面均遭到破坏，就又会造成基托重新有效地接触岩石，平滑磨损过程是缓慢的，属
刀具基础知识一、刀具材料应具备的性能； A，高的硬度和高耐磨性 1.硬度是刀具材料应具备的基本特性 2.耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。 B，足够的强度和韧性 1.强度是刀具材料抵抗破坏的能力 2，韧性是指材料发生断裂时外界做功的大小。 3.高的耐热性和热传性 4.良好的工艺性和经济性 1）切削性能 目前刀具材料分四大类：工具钢、硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料等。
常用的刀具材料 一、工具钢 1. 碳素工具钢 碳素工具钢是含碳量为0.65％～1.3％的优质碳素钢。常用的钢号有T7A、T8A等。 耐热温度：200℃～300℃。 2. 合金工具钢 1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。在碳素工具钢中加入适当的元素铬（Cr）、硅常用的合金工具钢有9CrSi，CrWMn等（Si）、锰（Mn）、钒（V）、钨（W）等炼成的。 耐热温度：325℃～400℃。 主要用于制造细长的或截面积大、刃形复杂的刀具。 二，高速钢 高速钢是一种富含钨（W）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等元素的高合金工具钢。 美国的F.W.泰勒和M.怀特于1898年创制的。含碳量一般在0.70～1.65％之间。 耐热温度：500℃～650℃。 高速钢的抗弯强度是硬质合金的3～5倍，冲击韧性是硬质合金的6～10倍 1.普通高速钢（HSS） 2.钨系高速钢：W18Cr4V (W18) 3.具有较好的综合性能，可制造复杂刃型的刀具。但由于钨是稀有金属，现在很少使用。 4.钨钼系高速钢：W6Mo5Cr4V2 (M2) 5.M2的碳化物颗粒小，分布均匀，具有较高的抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性。又因为钼的存在，使其热塑性非常好。 2. 高性能高速钢（HSS-E）
PCD刀具的性能特点 金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。 PCD刀具材料的主要性能指标 ①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的8～12倍； ②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN 和铜，因此PCD刀具热量传递迅速； ③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力； ④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10^-6～1.18×10^-6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高； ⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。 PCD刀具的应用 工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国DeBeers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明：人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers公司已推出了直径 74mm、层厚0.3mm的聚晶金刚石复合片。 国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、
PCD的定义,PCD是英文Polycrystalline diamond的简称,中文直译过来是聚晶金刚石的意思.它与单晶金刚石相对应. 摘自:中国机械资讯网 聚晶金刚石（PCD）刀具发展 1．概述 1.1 PCD刀具的发展 金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。在刀具发展历程中，从十九世纪末到二十世纪中期，刀具材料以高速钢为主要代表；1927年德国首先研制出硬质合金刀具材料并获得广泛应用；二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。 1.2 PCD刀具的性能特点 金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。PCD刀具材料的主要性能指标：①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍； ②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCBN和铜，因此PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1），因此PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 -6～1.18×10 -6，仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高；⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。 1.3 PCD刀具的应用 工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。据报道，1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10.7万把。PCD刀具的应用范围已由初期的车削加工向钻削、铣削加工扩展。由日本一家组织进行的关于超硬刀具的调查表明：人们选用PCD刀具的主要考虑因素是基于PCD 刀具加工后的表面精度、尺寸精度及刀具寿命等优势。金刚石复合片合成技术也得到了较大发展，DeBeers公司已推出了直径74mm、层厚0.3mm的聚晶金刚石复合片。 国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前，PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面：①难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工
金刚石（纯碳组成的矿物） 编辑 [jīn gāng shí] 金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石的原身，它是一种由碳元素组成的矿物。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。石墨可以在高温、高压下形成金刚石。 目录 1简介 ?金刚石结构 ?金刚石颜色 ?金刚石热导率 ?金刚石稳定性 2结构性质 3硬度 4光学性质 5金刚石分类 ?一般分类 ?矿物学分类 6自然界状 7开发简史 8用途 ?工业用途 ?慢性毒药 ?观赏宝石 9鉴别 ?简介 ?单折光性 ?吸附性 ?一线直落特征 ?特有金刚光泽 10历史 11主要产地 12石墨 13人造石 14纳米金刚石 15开采加工 16镀前处理 ?简介 ?实验结果 ?结论 1简介编辑 金刚石结构 金刚石(其中纯净的叫钻石)的化学式C----4个C(碳原子),空间结构问稳定的正三棱锥交替链
接而成.金刚石是原子晶体,一块金刚石是一个巨分子，N个C的聚合体。只能用它的元素符号加注释来表示[C(金刚石)].[1] “常林钻石” 钻石就是我们常说的金刚石,它是一种由碳元素组成的矿物。金刚石是自然界中最坚硬的物质，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模。还被作为很多精密仪器的部件金刚石与石墨同属于碳的单质。是一种具有超硬、耐磨、热敏、传热导、半导体及透远等优异的物理性能，素有“硬度之王”和宝石之王的美称，金刚石的结晶体的角度是54度44分8秒。20世纪50年代，美国以石墨为原料，在高温高压下成功制造出人造金刚石。人造金刚石已经广泛用于生产和生活中，虽然造出大颗粒的金刚石还很困难（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经可以制成了金刚石的薄膜。金刚石颜色 金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有，以无色的为特佳。它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。许多金刚石带些黄色，这主要是由于金刚石中含有杂质。金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷闪光的原因。金刚石在X 射线照射下会发出蓝绿色荧光。金刚石原生矿仅产出于金伯利岩筒或少数钾镁煌斑岩中。金伯利岩等是它们的母岩，其他地方的金刚石都是被河流、冰川等搬运过去的。金刚石一般为粒状。如果将金刚石加热到1000℃时，它会缓慢地变成石墨。 中国也拥有制造金刚石的技术，但最大也不过0.2克拉左右。 引用亚洲宝石协会（GIG）报告：金 天然金刚石 刚石的化学成分为C，与石墨同是碳的同质多象变体。在矿物化学组成中，总含有Si、Mg、Al、Ca、Mn、Ni等元素，并常含有Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、N等杂质元素，以及碳水化合物。 金刚石矿物晶体构造属等轴晶系同极键四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。单位晶胞中碳原子间以同极键相连结，距离为154pm。常见晶形有八面体、菱形十二面体、立方体、四面体和六八面体等。 金刚石的绝对硬度是刚玉的4倍，石英的8倍。详细绝对硬度如下： 金刚石10000-2500