1  引言

　　金刚石作为一种具有高硬度、低摩擦系数等优异性能的材料，在切削刀具的制备中得到了广泛的应用。单晶金刚石刀具以其纳米量级的刃口锋利度、极好的形状再现性和抗磨损能力在制造领域受到了特别重视。单晶金刚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。本文将就单晶金刚石材料的合成技术及其特性，以及其在超精密切削加工中应用的有关问题做一闸述。

　　超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造水平的重要标志之一。例如，金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数。日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级。

　　当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以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称为亚微米加工技术，正在向纳米加工技术发展。早在上世纪50年代末，由于航天等尖端技术的发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术。

　　2  人造大单晶金刚石的合成技术[1]

　　宝石级金刚石合成有两条途径，高温高压(HPHT)法和化学气相沉积(CVD)法：

　　2.1 高温高压法

　　1967年美国GE公司首次提出了培育大单晶金刚石的温度梯度法，1971年合成出了5mm(约1克拉的黄色Ib型大单晶金刚石。

　　住友电工在HPHT法大单晶金刚石合成技术上达到了目前世界最高水平。主要成就是：

　　（1）晶体生长速度大幅度提高，利用大晶种(5mm)等技术，将黄色大单晶金刚石/的生长速度由通常2~2.5mg/h提高到12~15mg/h;通过工艺参数的优化，将无色大单晶的生长速度由2通常1~1.5mg/h提高到6~7mg/h，优质IIa型单晶最大达到10mm;

　　(2) 合成的IIa型金刚石杂质低于0.1×10-6，晶体缺陷明显低于天然金刚石，其技术意义在于大幅度降低生产成本，为批量合成宝石级金刚石，尤其是Ib型金刚石清除了一大障碍。

　　元素6在HPHT合成大单晶金刚石的技术，应该与住友电工不相上下。

　　2.2  CVD法

　　CVD法合成单晶金刚石与金刚石多晶膜在技术上最大的不同点是前者使用金刚石晶种。目前用CVD法来生长大单晶需要使用大单晶晶片做晶种，晶种有多大就能生长多大的大单晶。

　　美国卡内基地质物理实验室于1998年开始CVD单晶金刚石合成技术的开发。2004年生长出对角线长10mm，厚4.5mm的单晶金刚石，生长速度100μm/h，最高速度达到300μm/h，所得到的单晶呈褐色，经高温高压处理后无色。2005年生长出10克拉的透明单晶金刚石。

　　卡内基地质物理实验室已经能够让金刚石方晶在6个(100)面上同时生长，所以晶种尺寸并不构成合战成大型单晶金刚石的实质性障碍。

　　与HPHT相比，CVD法的主要优点在于：

　　(1) 金刚石纯度高，在HPHT法中，金刚石在熔融触媒里面生长，构成触媒的金属原子或多或少会进入金刚石晶格，而在CVD法中，只要使用高纯度气体，原则上就能够生长高纯度金刚石。

　　(2) 生长大单晶金刚石成为可能。CVD装置属于一种真空设备，大型化不存在原则上的困难。

　　元素6公司为了深入研究单晶质CVD金刚石的特性，采用AMC225xe、AMC225xe(s)和AMC640xa三种材料制成工件进行切削加工实验。这三种材料均为AA2124铝合金基体，增强组分为SiC微粒。

　　试验结果表明，车削含增强组分SiC的粒度为20μm的AMC225xe(s)材料时，单晶质CVD金刚石切削工具的性能与IIa型天然金刚石切削工具的性能相当。车削含增强组分SiC的粒度为3μm而体积分数高达40%的AMC640xa材料时，单晶质CVD金刚石切削工具的寿命比IIa型天然金刚石切削工具的寿命高33%。

　　总的说来，单晶质CVD金刚石切削工具的寿命比之多晶质CVD金刚石以及聚晶金刚石切削工具的寿命都高，说明前者具有更高的耐磨性。

　　应指出的是，车削铝合金基体复合材料主要要求切削工具有极高的耐磨性，而切削加工其它金属基体复合材料如钛金属复合材料则不但要求切削工具有优异的耐磨性，还要求有优异的热学性质。由此可见，单晶质CVD金刚石切削工具在加工金属基体复合材料中具有广阔的发展前景[2]。

　　用单晶金刚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刚石切削工具，是采用单晶金刚石制作的。它之所以能进行高精度三维形状加工和镜面加工，关键在于十分锋利且经久耐磨的刀刃，刃锋的平滑度与轮廓精度要求十分严格，刃锋的平滑度要达到纳米级，刃尖圆度半径只有10nm左右。目前应用的微型超精密切削工具有下列三种[1]。

　　超精纳微方形立铣刀

　　这种立铣刀是用一颗单晶金刚石制成，刀刃宽度15μm，厚4μm，旋转直径30μm，是目前世界上最小的立铣刀。其用途加工光学元件、医用刀片以及微型机床零件上的三维曲线槽，特别是加工成形随意曲率的超细槽。

　　超精纳微球形立铣刀

　　超精纳微球形立铣刀被用于三维表面微凹坑和随意曲率面的加工，例如，微距镜组模子的加工等。这种球形立铣刀的弧形半径可做到R30μm，是世界上最小的球形立铣刀，加工精度可达到纳米级。

　　超细槽切削工具

　　这是一种以剃削和快速切削加工超细直线糟的工具，所加工的槽宽只有5μm，，是目前世界上能加工的最细槽。这种切削工具的典型应用就是全息摄影光学元件模具的成形加工，全息摄影光学元件是一种偏振光分散元件，透镜上有许多超细槽，槽的间距以微米计，利用光的衍射现象能够任意引起光谱衍射和聚光。随着光电子学的发展，对超细槽的成形加工将会与日俱增[3]。

　　3  单晶质CVD的特性

　　单晶质CVD金刚石具有很好的耐磨性、抗碎裂性和极高的硬度等综合力学性能。其杨氏模量（反映韧性）比硬质合金高1.8倍；硬度比硬质合金高千倍。用它制或成的刀具的精细切削刃在工作中可保持稳定的性能，而且加工研磨性强的材料可达到很高的表面光洁度。

　　此外，它还有极高的导热率，超过2000W/(m.K)，比铜高5倍，因此，在切削过程中.产生的温升极低，比得上高质量的IIa型天然金刚石。IIa型天然金刚石在工业用的天然金刚石只是很少的一部分，不仅价格昂贵，而且货源不足。单晶质CVD金刚石.就没有这些限制，因为它是人工合成的材料，质量受到严格控制，可保证化学纯度。

　　用天然金刚石制作工具有一定难度。由于天然金刚石的形状和大小都无规则，鉴定其晶体取需要高水平的技能与丰富经验。单晶质CVD金刚石能以一定晶体取向和形状合成，并可按正确晶体取向进行钎焊，所以用它制作切削工具的工艺方法比较省工。

　　4  单晶金刚石在超精密切削加工中的应用

　　金刚石作为一种切削材料主要是利用它的超硬特性，以及所兼备的高热传导率、高耐磨性、低膨胀系数和它与被切削材料之间的低摩擦系数。

　　CVD金刚石用于切削有两种形式：聚晶质CVD金刚石薄膜与单晶质金刚石厚膜或片，可切割成不同形状。单晶质金刚石切削工具主要用于加工强度高而质量轻的结构材料如金属基体复合材料(MMCS)等，存在问题是不能制造形状复杂的切削工具。

　　精密或超精密车刀是大单晶金刚石作为切削材料的一种成功应用。超精密金刚石刀具具有非常广泛的应用领域，如表1所示。

 表１：超精密切削加工应用领域

　　美国Kennametal公司于2003年推出的新型数控机床刀具KD1405，是一种“纯金刚石”刀具材料，它具有良好的韧性，可显著改善刀具的耐磨性，在用于连续车削及轻负载断续车削、精铣和半精铣刀加工时，刀具寿命与PDC刀具相比，可提高100%~200%。

　　大单晶金刚石可以做成切刀，用来制作厚度只有几十纳米的生物组织超薄切片。

　　大单晶金刚石制作的手术刀极其锋利，可以用来进行眼睛和大脑等精密手术。

　　单晶金刚石车刀，广泛用来加工原子反应堆及精密仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺和加速器电子枪等超精密镜面零件。

　　大单晶金刚石配合高精密车床已经实现最低加工表面粗糙度Ra0.02μm的镜面加工。

　　有一些用CVD多晶厚膜或PDC复合材料来完成的，如PDC铣刀加工含有氧化铝的木地板时刃口容易鈍化，必须经常刃磨或更换刀片。如使用单晶金刚石铣刀则寿命大幅度延长，使加工效率得到明显提高。

　　随着大单晶金刚石合成技术的提高和成本的降低，在越来越多的场合，大单晶金刚石刀具可以替代CVD或PDC刀具以获得更高的加工效率。

　　5  结语与展望

　　5.1 单晶金刚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，其中的单晶金刚石尖刀刀具已广泛用于F-theta透镜、光纤接头的V型槽结构、透镜、光柵等光学自由曲面和复杂微结构功能表面的超精加工中。但是，单晶金刚石尖刀刀具的制备目前仍是一项难度很大的工作[5]。

　　5.2 近些年来，单晶金刚石刀片在高精度切削加工铝合金材料方面的优越性引起了高度重视。日产研究中心用单晶金刚石刀片与多晶金刚石刀片对汽车的高硅铝合金活塞、汽缸体与汽缸头进行高精度切削加工的实验表明，单晶金刚石刀片的切削刃锋利得多，而且由于它的晶体取向是一定的，而多晶金刚石刀片的晶体取向是无规则的，所以前者的硬度达到努普硬度104GPa，而后者只有50GPa。前者加工的最终表明粗糙度>Ra0.03μm，后者>Ra0.3μm。虽然前者的成本比后者大3倍，但前者的使用寿命比后者大17倍

　　5.3两个因素决定了大单晶金刚石作为切削材料在机械加工方面的应用和市场将会快速发展：(1) 机械加工工业发展的总趋势是高效、高精度和环保意识，大单晶金刚石作为切削材料完全符合这种趋势。(2) 大单晶金刚石的制造成本。据Gemesis和阿波罗公司透露，目前生产每克拉HPHT大单晶金刚石的成本为100美元，而生产每克拉CVD大单晶金刚石的成本只有5美元。可以预见，随着大单晶金刚石生产成本的进一步降低，本来使用PDC和CVD多晶厚膜的场合完全可以使用大单晶金刚石。

　　5.4 众所公认，CVD金刚石超过天然金刚石和HPHT金刚石的主要优点在于可控制其沉积生长过程，以不同掺入物的质和量获得不同性质的金刚石，而且可形成连续金刚石膜用作大面积镀层或形一定厚度片状金刚石，在工业上许多领域势必取代天然和HPHT金刚石。未来工业金刚石的发展方向应该在CVD技术和CVD金刚石，而不是HPHT合成工艺和HPHT金刚石[6]。

　　5.5 当前，CVD技术面临最大的挑战就是如何在确保CVD金刚石质量的前提下尽量提高CVD速度而又不致于增加生产成本。美国SP3公司认为，热丝CVD技术有利于降低成本。但在2005年初，卡内基与Alabama大学合作研制成功另一种CVD技术及相关设备，可生产10克拉重，1/2英寸厚的单晶质CVD金刚石，沉积生长速度达到100μm，这种CVD技术实际上就是微波等离子CVD法。元素6公司对微波等离子法情有独钟，一直在研究改进，目前使用的是微波等离子增强型CVD技术。

　　5.6 从技术上讲，HPHT法可生产出4~6mm或以上的大单晶金刚石，但从经济方面是不可取的。原因是工艺过程难控、周期长、成本高，极难加工成所需要之形状。鉴于这些原因，世界上最大的工业金刚石的研发与供应商，元素6公司于上世纪90年代初即改变研究重点，由大力研究HPHT合成大颗粒人造金刚石转向研发CVD金刚石。因为CVD金刚石的最大优点是可以生长大单晶及其所需要的形状与特定功能的金刚石。

　　参考文献

　　[1] 王裕昌，人造大单晶金刚石的合成技术进展及主要应用[J]超硬材料工程，2008，6：28~32
　　[2] 谈耀麟，单晶质CVD金刚石的特性及其制作切削工具的应用[J]超硬材料工程，2007，6：42~44
　　[3] 淡耀麟，单晶金刚石在高端技术领域的应用[J]超硬材料工程，2006，5：30~33
　　[4] 董长顺，玄真武等，CVD金刚石制备方法及其工业化前景分析[J]超硬材料工程，2009，1：33~39
　　[5] 卢猛，赵清亮，单晶金基石尖刀制备工艺的研究[J] 磨料磨具通讯，2008，12：10~12
　　[6] 谈耀麟，论CVD金刚石合成技术及其发展趋势[J]超硬材料工程，2010，3：29~33