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单晶金刚石刀具

admin 人造钻石 2020年11月05日

  单晶金刚石刀具_化学_自然科学_专业资料。单晶金刚石刀具 知识介绍 郑州华菱超硬材料有限公司 2018年9月 目录 一、单晶金刚石刀具的种类 二、单晶金刚石刀具的性能 三、单晶金刚石刀具的应用 1、单晶金刚石刀具在光学模仁方面的应用 2、

  单晶金刚石刀具 知识介绍 郑州华菱超硬材料有限公司 2018年9月 目录 一、单晶金刚石刀具的种类 二、单晶金刚石刀具的性能 三、单晶金刚石刀具的应用 1、单晶金刚石刀具在光学模仁方面的应用 2、单晶金刚石刀具在大型辊筒光电模具方面的应用 四、单晶金刚石刀具和CVD金刚石刀具,PCD刀具的区别 五、单晶金刚石刀具应用案例 单晶金刚石刀具的种类 单晶金刚石刀具是目前超精密加工领域的主要切削刀具,其切削刀具一般质量大于0.1g, 最小径长不小于2mm,可实现镜面加工,可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度, 切削出来的效果非常光亮,是公认的、理想的超精密加工刀具。 单晶金刚石有天然和人造两种,天然单晶金刚石数量少,价格昂贵,主要用于某些有色金 属的超精密切削加工或黄金首饰的生产中。 为了缓解大量的工业需求,科学家寻找人工的方法合成金刚石。人造单晶金刚石具备与天 然单晶金刚石相同的结构而且有与之相媲美的性能,同时成本相对天然金刚石低廉,具有广 泛的工业应用和商业前景。 单晶金刚石刀具的种类 天然金刚石(ND) : 天然金刚石约98%属于Ia型氮[N](~2500ppm)天然金刚石的形成大部份是在至少25亿年的岩石中 产生,而且大约在140~200公里的地底下形成,在这个深度下的强大 压力(每平方基叶150万磅)和极高温度(约2800℃)造成稀有的碳 原子紧密的聚集在一起,而形成的晶体结构。 经过火山爆发,强烈的能量猛烈推挤含有金刚石的古老岩石, 然后迅速的被岩浆或熔解的石头带到地面。由于金刚石拥有高硬 度、高耐磨耗与高热传导系数,因此很早就被应用在切削工具 之上,近年来科技进步,对加工质量与被加工物误差的要求, 钻石的特性更被广泛的应用在光学元件的加工。 单晶金刚石刀具的种类 人造(高温高压合成)单晶金刚石: 属于Ib型单结晶合成金刚石之一,氮[N]多为分散或固溶状态存在于晶体内部,人造单晶金刚石顾名 思义是由人工合成的,在一个无氧且高温(1000°C以上)高压的环境里合成出来的,由于拥有和金刚石 相当的高硬度、高耐磨耗与高热传导系数。 由于和金刚石同属于单结晶体,无晶界的性质可以制造出非常锋利的刀刃质量,是其他材料无法达 到的境界,长久以来被应用在制作超精密加工的金刚石刀具,抛光工具和耐磨耗元件。 人造单晶金刚石目前最大尺寸可达8mm。 单晶金刚石刀具的种类 人造(CVD合成)单晶金刚石: 属于IIa型金刚石型单结晶合成金刚石之一,氮[N]1 ppm,[B] 0.05 ppm ,CVD合成单晶金刚 石的制程环境是在氢碳之混合气的腔体中,利用化学气相沉积法(CVD)来合成出来。 这是一种超高技术所合成出来的高质量单晶金刚石,可做到完全无色透明,几乎没有任何杂质, 拥有更高的耐磨耗和更好热传导系数,更能够使被加工物拥有更高质量的加工表面,同时如果在生 长过程中有选择性的通入掺杂气体,便可以制备出多种有色金刚石。 单晶金刚石刀具的性能优势 (1)单晶金刚石刀具具有极高的硬度(10000HV),从而获得良好的耐磨性; (2)单晶金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利,切削时不宜粘刀和产生积屑瘤,可进行超薄切削和 超精密加工; (3)摩擦系数低,加工时变形小,可减小切削力; (4)刃口在800倍Nomarski(尼康)显微镜下观察无缺陷,加工有色 金属时表面粗糙度可达Rz0.1~0.05μm, 被加工工件的形状精度控制 50nm以下; (5)华菱超硬精选的单晶金刚石刀具颗粒,一致性好,使用寿命是 硬质合金刀具的100倍,甚至几百倍。 性能 密度 /g·cm-3 杨氏模量 /GPa 断裂韧度 /MPa·m1/2 横向断裂强度 /GPa 抗压强度 /GPa 硬度 /HV 单晶金刚石 3.52 1000-1100 3.4 2.9 9.0 10000 热导率 /W·m-1·K-1 1000~2200 热膨胀系数 αl/10-6·K-1 热稳定性/℃ 2.5~5.0 700~800 抗拉强度(MPa) 1050-3000 单晶金刚石刀具的种类 按刀具结构来分:主要用于车刀、铣刀、轮廓刀、倒角刀,切槽刀。 (车刀、刀片所配备的机床为单点金刚石车床或其他精密车床;铣刀、倒角刀类常搭载CNC雕铣机或加工中心。) 华菱超硬 华菱超硬 华菱超硬 华菱超硬 华菱超硬 单晶金刚石车刀片 单晶金刚石车刀 单晶金刚石轮廓刀 单晶金刚石切槽刀 单晶金刚石铣刀 单晶金刚石倒角刀 单晶金刚石刀具适合加工材料 按应用材料划分: (1)金,银; (2)铜,铜合金; (3)铝,铝合金; (9)氟化镁,硫化锌、硅、锗等红外光线材料及PMMA(有机玻璃), PC(聚碳酸酯)、PET(涤纶)等高分子材料。 (4)铍合金; (5)无氧铜(OFC) ; (6)无电解镍; (7)石墨、玻璃、塑料、陶瓷,未烧结硬质合金; (8)各种纤维和颗粒加强复合材料、橡胶和各种耐磨木材(尤其是实心 木和胶合板、MDF等复合材料); 天然单晶金刚石刀具价格昂贵,一般用于某些有色金属的超精密切削加工或黄金首饰的生产中。 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,在精密应用中具有卓越的耐磨性和更长的工具寿命。可用作加工有色金 属及非金属材料的切削刀具。 单晶金刚石刀具应用领域 按应用行业划分: (1)光学行业:如光学透镜,(非)球面透镜,光学玻璃,光学模仁,反射镜等; (2)印刷行业:辊筒模具; (3)汽车行业:夜间行驶光学系统,投影灯,铝合金轮毂等; (4)3C行业:手机外圆镜面/按键镜面/电筒外圆镜面,计算机硬盘基片等; (5)电子电器:如计算机硬盘基片等; (6)国防工业/航空航天:如导弹的导航陀螺等; (7)新材料:如陶瓷,工程塑料等; (8)珠宝首饰; (9)医疗器械:如隐形眼镜,加速器电子枪等; 非球面透镜 隐形眼镜 光学元件 陀螺仪 单晶金刚石刀具在光学模仁方面的应用 为了保证光学镜片加工领域所加工出的各种凹、凸透镜片及菲涅尔镜片的模具能有非常理想的曲 率半径,并且有非常高的复制性及稳定性,华菱超硬建议,模仁车刀刀尖夹角最小做到15°,刀尖圆弧 500nm,波纹度10nm,即使圆弧在很大的情况下,波纹度也能控制在100nm以下,在加工抛物线刀具 时,波纹度也能达到100nm,曲率半径的误差可达200nm,在高倍显微镜下,刃口光滑无缺陷,前后 刀面的光洁度2nm。 (表面波纹度:是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度,属于微观和宏观之间的几何误差。) (当波距λ<1mm时,按表面粗糙度处理 ; 波距:1mm<λ<10mm,按表面波纹度处理) 单晶金刚石刀具在大型辊筒光电模具方面的应用 印刷机辊筒是印刷机械的核心部件,其表面光洁度、几何精 度的高低会对印刷品的质量产生重要影响,尤其是在印制精美 印刷品时,丝毫的误差都会降低印刷品的整体效果,使对开印 刷产品两边发虚或失真,因此对于制造印刷机辊筒的模具要求 也极高。 在对辊筒光学模具进行加工时,机床选择大型辊筒光学模具 超精密加工机床,刀具则选择华菱超硬单晶金刚石刀具,辊筒 的表面粗糙度低于10纳米,保证较高的加工效率和良品率。 单晶金刚石刀具和CVD金刚石刀具,PCD刀具的区别 在介绍它们三个之前的区别前,先介绍一下什么是CVD金刚石刀具和PCD刀具。 CVD金刚石刀具 是在含碳气体和氧气的混合物在高温和低于标准大气压的压力下被激发分解,形成活性金刚石碳原子,并 在基体上沉积交互生长成聚晶金刚石,不含任何金属或非金属添加剂,其性能与天然金刚石十分接近。 CVD金刚石刀具有CVD金刚石薄膜涂层刀具和CVD厚膜刀具之分,金刚石薄膜涂层刀具,其中薄膜涂层 可沉积在任何形状的基体上,因此CVD金刚石薄膜涂层刀具易于制造复杂型面刀具,如钻头、立铣刀、带断 屑槽的金刚石刀片等,亦可成为CVD金刚石涂层刀具。 CVD金刚石厚膜刀具是采用等离子体时流CVD法在Mo基体上沉积金刚石膜,获得独立的金刚石厚膜 (0.3-1.3mm),之后通过焊接工艺,将CVD金刚石厚膜焊接到硬质合金或其他材质的基体上,从而形成CVD 金刚石厚膜刀具或刀片,具体成型工艺如下图: 单晶金刚石刀具和CVD金刚石刀具,PCD刀具的区别 PCD刀具: 是利用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)下烧结而成固定直径和厚度的PCD复合片,之后经过切 割,焊接、刃磨等工艺,制成PCD刀具,广泛用于汽车、航空航天、3C等行业。 通常情况下,PCD复合片的层厚约为0.3~1.0mm。可制成PCD刀片,PCD车刀,PCD铣刀,PCD 铰刀,PCD钻头等结构形式。 PCD标准刀片 PCD杆状刀具 单晶金刚石刀具和CVD金刚石刀具,PCD刀具的区别 性能 材质结构 耐磨性 韧性 化学稳定性 可加工性 可焊性 刃口质量 适用性 单晶金刚石 纯金刚石 高于PCD和金刚石膜 差 高 差 差 优 超精加工 CVD金刚石刀具 纯金刚石 比PCD提高2-10倍 良 高 差 差 优 精加工、半精加工、连续切削、湿切、干切 聚晶金刚石(PCD)刀具 含Co粘合剂 随金刚石颗粒大小而变 优 较低 优 优 良 粗加工、精加工 “PCD刀具最适合加工铝和其他韧性较好的非铁合金(如铜、黄铜和青铜),以及具有高磨蚀性的复合材料(如石墨、碳—碳材料、 加碳酚醛、玻璃纤维和多孔密封材料)。 单晶金刚石几乎专用于高精密的精加工,其极薄切削能力可确保获得极高的尺寸精度。PCD和CVD金刚石可用于许多相同的加工领 域,但PCD更适合用于粗加工以及对刀具断裂韧性要求较高的加工场合。CVD金刚石更擅长精加工、半精加工和连续车削加工,这是因 为其具有优异的耐磨性和高硬度,可以加工出更精密的工件。在需要复杂刀具几何形状的加工中,CVD金刚石也是最佳选择,而PCD毛 坯只能制成较简单的刀具形状。 目前单晶金刚石刀具和PCD应用最为广泛,CVD厚膜刀具目前由于磨削工艺限制了其推广使用。”--资料来源 河南超硬材料研究所, 2015年。 单晶金刚石刀具和CVD金刚石刀具,PCD刀具的区别 单晶金刚石和聚晶PCD的区别: 聚晶PCD与单晶金刚石在金相显微镜下的状况,左下图可明显看出刀刃边缘会呈现锯齿状,而右图则平顺光滑。 聚晶PCD在显微镜100X状况 在加工方面的差异性: 单晶钻石在显微镜100X状况 聚晶材质之刀刃由许多微细晶体所构成,因此在进 行加工车削,被加工物表面也会呈现一颗颗小晶粒 所造成的痕迹。 单晶材质之刀具可以将刀刃完美的状态,直 接复制在被加工物上 谢 谢! 日期:2018年9月 网 址: 地 址:郑州市高新区长椿路国家大学科技园研发5B


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