聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，簡稱PCD)是20世紀(jì)70年代以來國際上開始研究使用的新型超硬材料，它是在高溫1400℃、高壓6GPa下燒結(jié)形成的。

聚晶金剛石既是工程材料，又是新型的功能性材料；既是高新技術(shù)產(chǎn)品，又是高效益的產(chǎn)品。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聚晶金剛石以其優(yōu)良的力、熱、化學(xué)、聲、光、電等性能，在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術(shù)等領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。

聚晶金剛石刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的必要手段。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 高速切削、高穩(wěn)定性加工

(2) 超精密鏡面加工

(3) 干式切削、清潔化加工

性能介紹

(1) 高的硬度和耐磨性

聚晶金剛石的硬度高達(dá)10000HV左右，是目前世界上人造物質(zhì)中最硬的材料，比硬質(zhì)合金及工程陶瓷的硬度高得多，由于聚晶金剛石硬度極高，并且各向同性，因而具有極佳的耐磨性。

(2) 摩擦系數(shù)低

聚晶金剛石與一些有色金屬的摩擦系數(shù)比其它材料都低，約為硬質(zhì)合金的1/2左右。低的摩擦系數(shù)不僅使變形和切削力降低，而且使切削時不產(chǎn)生積屑瘤，因而降低了加工表面粗糙度。

(3) 導(dǎo)熱率高

聚晶金剛石的導(dǎo)熱率很高，比銀、銅還要好，比一般硬質(zhì)合金高得多，因此在切削過程中切削熱容易散出，故切削溫度較低。

(4) 加工精度高

由于聚晶金剛石刀具具有較低的熱膨脹系數(shù)和很高的彈性模量，因而在切削過程中刀具不易變形，在切削力的作用下刀具能保持其原始參數(shù)，長期保持鋒利，切削精度高。所以使用PCD刀具進(jìn)行加工時，可以減小切削力和降低切削溫度，提高刀具耐用度和切削率，獲得良好的加工表面。

主要問題：PCD材料的高硬度和高耐磨性造成成型和表面光整加工非常困難，嚴(yán)重妨礙了它的推廣應(yīng)用。

常用加工方法：電火花加工、激光加工、化學(xué)加工、超聲加工。

理想加工方法：磨削或研磨加工。

加工工藝介紹

磨削加工

鑒于聚晶金剛石的高硬度和耐磨性，其磨削加工主要有金剛石砂輪磨削、放電磨削和電解磨削等方式，其中最簡單、有效的磨削加工方式是金剛石砂輪磨削。在實(shí)際加工過程中，也可根據(jù)需求采用不同磨削方式組合加工。

(1) 金剛石砂輪磨削

金剛石砂輪磨削加工聚晶金剛石時，在砂輪和工件之間的接觸壓力和磨削力較大，要求磨削加工系統(tǒng)具有足夠的剛度和高精度。近年來，許多國家都在研制和發(fā)展磨削加工聚晶金剛石(也包括聚晶立方氮化硼)的專用磨床和砂輪。如日本大阪金剛石工業(yè)公司研制的CPG系列高剛度金剛石工具精密磨床和CP系列高效專用金剛石砂輪

(2) 聚晶金剛石的ELID鏡面磨削

在線電解修整砂輪(ELID)精密鏡面磨削技術(shù)是日本理化學(xué)研究所大森整博士八十年代末期開發(fā)的超精密加工新技術(shù)。其基本原理是在磨削過程中，利用非線性電解修整作用和金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪表層氧化物絕緣層對電解抑制作用的動態(tài)平衡，對砂輪進(jìn)行連續(xù)修銳修整，使砂輪磨粒獲得恒定的突出量，從而使砂輪始終以最佳磨削狀態(tài)連續(xù)進(jìn)行加工，它適用于硬脆材料的精密鏡面磨削。

用金屬結(jié)合劑的金剛石砂輪和ELID精密鏡面磨削技術(shù)加工聚晶金剛石可以得到很好的效果，是一種聚晶金剛石精密加工的新途徑，具有很大的推廣價值和應(yīng)用前景。

(3) 電火花磨削

電火花加工過程中脈沖發(fā)生器的特性非常重要，特別是加工PCD材料，PCD具有一定的導(dǎo)電率、好的導(dǎo)熱率和很高的熔點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的電火花加工聚晶金剛石非常困難。

電火花磨削PCD的蝕除機(jī)理包括:金剛石的氣化、金剛石的氧化、金剛石向石墨和非晶碳的轉(zhuǎn)化、電火花放電產(chǎn)生的拋出力作用、熱應(yīng)力在金剛石表面產(chǎn)生微裂紋以及金剛石晶粒的斷裂破碎等。其中金剛石的石墨化在電火花拋光金剛石膜的過程中起關(guān)鍵作用，不僅起導(dǎo)電作用，維持放電通道的存在，使金剛石膜凸出尖峰頂部得以氣化，而且金剛石的石墨化—氧化過程不斷地進(jìn)行，從而將金剛石蝕除。

電火花加工和電火花磨削加工聚晶金剛石是高效低成本的加工方法，但是，它們不能有效地加工大面積的聚晶金剛石。

研磨加工

聚晶金剛石常用的研磨加工主要有三種方法：一種是使用樹脂結(jié)合劑細(xì)粒度的金剛石砂輪進(jìn)行精密研磨；另一種是使用淬火的高硬度鋼盤(或瑪瑙盤)，并且不加任何磨料直接進(jìn)行研磨加工；還有一種是使用高速旋轉(zhuǎn)的鑄鐵盤，輔之以金剛石微粉進(jìn)行研磨加工。研磨加工可作為聚晶金剛石的精拋工藝，是制造聚晶金剛石工具的重要一環(huán)。

(1) 聚晶金剛石的金剛石砂輪研磨加工

金剛石砂輪研磨加工聚晶金剛石與砂輪磨削加工類似，只是選擇砂輪的型號不同，研磨一般選用濃度為50%- 70%，粒度為W40- W7的樹脂結(jié)合劑的砂輪。采用金剛石砂輪研磨加工聚晶金剛石時，由于砂輪中金剛石磨粒對PCD材料的研磨實(shí)質(zhì)上是兩種硬度、性質(zhì)相近的物體之間相互作用的過程，與傳統(tǒng)的研磨過程具有本質(zhì)的區(qū)別，所以PCD研磨機(jī)理、研磨工藝具有自身的特點(diǎn)。

(2) 聚晶金剛石的高速鋼盤研磨加工

高速鋼盤研磨加工聚晶金剛石，其基本原理是PCD工件在一定的壓力下與高速旋轉(zhuǎn)的高速鋼盤之間發(fā)生摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，使滑動界面的溫度升高，滑動界面(研磨面)上產(chǎn)生的高溫，有利于PCD中滑動界面的金剛石晶粒產(chǎn)生氧化、石墨化、擴(kuò)散、粘結(jié)以及熱應(yīng)力破碎等，從而達(dá)到研磨的目的。

由金剛石的化學(xué)性質(zhì)可知，一些金屬元素能與其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，促使其解體。如果研磨盤本身材料中含有上述金屬元素成分，會促使研磨滑動界面的金剛石產(chǎn)生擴(kuò)散、粘結(jié)、熱蝕等作用，有助于提高研磨加工的效率。但研磨滑動界面的溫度不宜過高，否則會影響研磨加工表面質(zhì)量。

(3) 聚晶金剛石的磨料研磨加工

聚晶金剛石的磨料研磨加工是傳統(tǒng)的加工方法之一，在磨料研磨加工過程中，晶粒的解理性脆斷是研磨PCD過程中主要的去除方式之一；鋒利的磨粒以很高的速度和適當(dāng)?shù)膲毫澾^PCD，在金剛石晶粒表面產(chǎn)生大量的損傷性劃痕，這些劃痕可以分為塑性劃痕和脆性劃痕，這種方式也是PCD材料重要的機(jī)械去除方式。除此以外還有石墨化去除、熱蝕去除、擴(kuò)散去除、氧化去除等多種熱化學(xué)去除方式，但熱化學(xué)去除方式在研磨PCD材料去除中不占主要地位。磨料研磨加工精度較高，但效率極低。但當(dāng)輔助以超聲進(jìn)行研磨時，效率會大大提高。

其他加工方法

(1) 電火花線切割

電火花線切割機(jī)

電火花線切割加工通過電極絲與工件之間局部區(qū)域的脈沖放電來實(shí)現(xiàn)工件材料的切割加工，它是PCD切割加工常用的方法之一。電火花線切割聚晶金剛石大多用來制作機(jī)加工刀具、地質(zhì)鉆頭以及拉絲磨具，這些工件模具形狀復(fù)雜、多變，用電火花線切割機(jī)床進(jìn)行成形加工是目前經(jīng)濟(jì)可行的良好途徑。

(2) 激光加工

激光加工聚晶金剛石的機(jī)理是：一束能量密度極高的激光束照射到聚晶金剛石表面上，部分光能即被表面吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，照射斑點(diǎn)的局部區(qū)域溫度迅速上升到上萬度，使聚晶金剛石材料局部熔化甚至汽化并形成陷坑。與此同時也開始了熱擴(kuò)散，結(jié)果斑點(diǎn)周圍材料也熔化。隨著激光能量的繼續(xù)吸收，陷坑中蒸汽膨脹，壓力加大，熔融物以爆炸形式被高速噴射出來，噴射所產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內(nèi)部形成一個方向很強(qiáng)的沖擊波。這樣聚晶金剛石就在高溫熔融汽化和沖擊波的作用下蝕除部分物質(zhì)，形成激光蝕坑。

激光加工屬非接觸加工，在PCD材料加工中具有優(yōu)異的特點(diǎn)，可加工高純度的PCD材料(如多晶金剛石膜)，加工變形及熱變形均很小，而且激光加工速度快、效率高，是一種較為有效的加工方法。特別是在微孔加工和不導(dǎo)電的超硬材料加工方面更顯示出其優(yōu)越性。但還存在尺寸精度和重復(fù)精度難以控制，以及加工表面有微石墨化現(xiàn)象等問題，還需精修。目前只能用于粗加工或半精加工。激光加工材料時起決定作用的激光參數(shù)是脈沖寬度、最大脈沖功率及平均脈沖功率。

(3) 化學(xué)加工

聚晶金剛石的化學(xué)加工是根據(jù)金剛石可溶于熔融的鉀硝石、鈉硝石和磷酸鈉這一特性，采用熔融硝鹽對聚晶金剛石進(jìn)行溶解，鑒于表面自由能分布狀態(tài)及自由焓降低原理，可使聚晶金剛石表面逐漸由粗糙變光滑。同時由于氧化反應(yīng)可在金剛石表面生成一種氧化膜，可通過研磨去除，再繼續(xù)溶解。

(4) 超聲加工

聚晶金剛石的超聲波加工是采用金剛石微粉(1-50um)作游離磨粒進(jìn)行加工，影響超聲波加工PCD材料的因素主要有振動頻率、振幅、金剛石微粉尺寸、PCD材質(zhì)、單位壓力、加工面積等。目前聚晶金剛石超聲加工包括超聲磨削和超聲研磨加工等方式，多用于PCD內(nèi)孔和PCD拉絲模具、噴砂模具的加工。超聲磨削法的核心部件是軸向一面做超聲振動，一面作高速回轉(zhuǎn)的超聲磨削裝置。

應(yīng)用介紹

PCD刀具具有非常高的耐用度(比硬質(zhì)合金刀具壽命高幾十倍以上)，穩(wěn)定的尺寸加工精度以及良好的工件表面粗糙度。主要加工對象是有色金屬、非金屬材料及含有Al2O3的木工材料、合金、陶瓷，各種纖維和顆粒加強(qiáng)的復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃、木材等，還能對上述材料做超精密加工。目前主要品種有PCD木工鋸片及修邊刀，PCD轉(zhuǎn)位式刀片，PCD活塞系列刀具，PCD輪毅刀具，PCD整流子刀具，PCD表殼、首飾刀具以及各種PCD焊接式車刀、鑊刀。

PCD刀具在汽車領(lǐng)城的應(yīng)用占60%。PCD刀具在汽車領(lǐng)域主要用于加工發(fā)動機(jī)活塞的裙部、銷孔、汽缸體、變速箱、化油器等。由于這些部件材料含硅量較高(10%以上)，并且大多采用流水線方式大批量生產(chǎn)，對刀具的使用壽命要求較高，硬質(zhì)合金刀具難以勝任，而金剛石刀具耐用度是硬質(zhì)合金刀具的10-50倍，可保證零部件尺寸穩(wěn)定性，并可大大提高切削速度、加工效率和工件的表面質(zhì)量。

木材加工行業(yè)

目前得到廣泛應(yīng)用的人造板材已同傳統(tǒng)木材有了明顯的差別，人工合成的板材在某種意義上是合成樹脂的概念，其加工過程也同傳統(tǒng)意義上的木材不同。特別是中密度纖維板、膠合板、刨花板及復(fù)合地板等人造板材的發(fā)展，更加速了其對超硬刀具的需求，從而使金剛石刀具逐步替代了傳統(tǒng)木工刀具在市場中的地位。其中強(qiáng)化復(fù)合地板最外層的Al2O3對硬質(zhì)合金刀具的磨損影響很大，利用PCD刀具能夠有效地解決這個問題。

電子行業(yè)

一般刀具在印刷板切邊、切榴時易翻毛，影響各種電氣元器件的安裝定位，且整張印刷板亦不美觀。硬質(zhì)合金刀具在加工電氣印刷板時壽命短，加工速度慢，加工效率低，加工精度差。PCD材料制作的多刃電氣印刷板刀不易磨損，加工線速度高達(dá)1500-2000m/s，所以加工效率高，加工成本低，得到廣泛的應(yīng)用。

石油地質(zhì)鉆探行業(yè)

聚晶金剛石鉆頭它以鋒利、高耐磨、能自銳的聚晶金剛石切削塊作為切削元件，從而能夠在低鉆壓(40kN左右)下取得高進(jìn)尺(為牙輪鉆頭的4-6倍)和高鉆速(高于牙輪鉆頭2倍以上)。它比牙輪鉆頭具有更高的安全性，可以極大地提高鉆井工作效率和降低鉆井成本。在大段軟到中等硬度地層具有突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是在成本高的海洋鉆井中和超深井及小井眼鉆井中，PCD鉆頭更具有牙輪鉆頭不可比擬的優(yōu)勢。

線材模具

拉絲模是各種金屬線材生產(chǎn)廠家(如電線電纜廠、鋼絲廠、焊條焊絲廠等)拉制線材的一種非常重要的模具。拉絲模的適用范圍十分廣泛，主要用于拉拔棒材、線材、絲材、管材等直線型難加工物體，適用于鋼鐵、銅、鎢、相等金屬和合金材料的拉拔加工。

在拉拔相同直徑的銅絲時，聚晶金剛石模的使用壽命是硬質(zhì)合金模壽命的300-500倍、拉拔鎳絲時為80-100倍，拉拔鉬絲時，其壽命只有硬質(zhì)合金模壽命的50-80倍，而拉拔碳鋼時，聚晶金剛石模的壽命是硬質(zhì)合金模的20-60倍。聚晶金剛石線材模具除了常用的電線電纜拉絲模外，還有電機(jī)、電器、變壓器等漆包線模具，集成電路等精密內(nèi)引線模具等。

玻璃切割加工

作為一種性能優(yōu)異的玻璃切割刀具，聚晶金剛石制成的刀輪主要用于電子行業(yè)的液晶玻璃的高精度高品質(zhì)切割，同時可以切割建筑用以及汽車用玻璃，是普通玻璃刀和硬質(zhì)合金玻璃刀輪的理想替代品。芯棒與刀輪均為聚晶金剛石材料，具有加工精度高、耐磨損、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，并具有超常的使用壽命。

寶石加工

聚晶金剛石在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，跟傳統(tǒng)的電鍍金剛石砂輪相比，最突出的優(yōu)勢是工具壽命久，電鍍金剛石工具在很多情況下工作層是單層金剛石，在研磨高硬度的玉石時，很快就會被磨損并失去工作能力，而聚晶金剛石則完全克服了這一弱點(diǎn)，大大提高了加工效率。

寶石加工是聚晶金剛石刀具近年來新開拓的應(yīng)用領(lǐng)域，市場前景十分看好，大大拓寬了聚晶金剛石的市場。這種新型聚晶金剛石的硬度低于鉆探等領(lǐng)域用的聚晶金剛石，為適應(yīng)寶石加工做了一些特殊的處理。

其他用途

聚晶金剛石在要求耐磨性高、尺寸精度高并保持接觸良好的場合取得了很好的效果。用聚晶金剛石取代天然金剛石制作半自動砂輪架的球式支座，壽命為2500h，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)材料。聚晶金剛石修整筆可以用來修整幾乎所有的砂輪，包括立方氮化硼砂輪。

發(fā)展要求和趨勢

(1) 規(guī)格尺寸越來越大。

(2) 晶粒細(xì)化、質(zhì)量優(yōu)化、性能均一化。早期的聚晶金剛石產(chǎn)品一般使用50um左右的金剛石微粉，現(xiàn)在發(fā)展到使用2um甚至0.5um以下，從而使聚晶金剛石刀具、拉絲模在加工精度方面不再遜色于單晶金剛石。

(3) 磨耗比越來越高，聚晶金剛石的耐磨性是衡量其質(zhì)量水平的一個市要指標(biāo)，作為新型的超硬材料產(chǎn)品，經(jīng)過多年的研究和生產(chǎn)，其質(zhì)量水平不斷提高，磨耗比也越來越高。

(4) 形狀結(jié)構(gòu)多樣化，過去的聚晶金剛石產(chǎn)品一般是片狀和圓柱狀，由于尺寸大型化和加工技術(shù)(如電火花、激光切割加工技術(shù))的提高，二角形、人字形、山墻形球面、曲面以及其它各種異形壞料增多，為適應(yīng)特殊切削刀具的需要，還出現(xiàn)了包裹式、夾芯式和花卷式聚晶金剛石產(chǎn)品。