1  引言

　　金剛石作為一種具有高硬度、低摩擦系數等優異性能的材料，在切削刀具的制備中得到了廣泛的應用。單晶金剛石刀具以其納米量級的刃口鋒利度、極好的形狀再現性和抗磨損能力在制造領域受到了特別重視。單晶金剛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。本文將就單晶金剛石材料的合成技術及其特性，以及其在超精密切削加工中應用的有關問題做一閘述。

　　超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造水平的重要標志之一。例如，金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關鍵技術參數。日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數量級。

　　當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以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0.01μm的加工技術，亦稱為亞微米加工技術，正在向納米加工技術發展。早在上世紀50年代末，由于航天等尖端技術的發展的需要，美國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術。

　　2  人造大單晶金剛石的合成技術[1]

　　寶石級金剛石合成有兩條途徑，高溫高壓(HPHT)法和化學氣相沉積(CVD)法：

　　2.1 高溫高壓法

　　1967年美國GE公司首次提出了培育大單晶金剛石的溫度梯度法，1971年合成出了5mm(約1克拉的黃色Ib型大單晶金剛石。

　　住友電工在HPHT法大單晶金剛石合成技術上達到了目前世界最高水平。主要成就是：

　　（1）晶體生長速度大幅度提高，利用大晶種(5mm)等技術，將黃色大單晶金剛石/的生長速度由通常2~2.5mg/h提高到12~15mg/h;通過工藝參數的優化，將無色大單晶的生長速度由2通常1~1.5mg/h提高到6~7mg/h，優質IIa型單晶最大達到10mm;

　　(2) 合成的IIa型金剛石雜質低于0.1×10-6，晶體缺陷明顯低于天然金剛石，其技術意義在于大幅度降低生產成本，為批量合成寶石級金剛石，尤其是Ib型金剛石清除了一大障礙。

　　元素6在HPHT合成大單晶金剛石的技術，應該與住友電工不相上下。

　　2.2  CVD法

　　CVD法合成單晶金剛石與金剛石多晶膜在技術上最大的不同點是前者使用金剛石晶種。目前用CVD法來生長大單晶需要使用大單晶晶片做晶種，晶種有多大就能生長多大的大單晶。

　　美國卡內基地質物理實驗室于1998年開始CVD單晶金剛石合成技術的開發。2004年生長出對角線長10mm，厚4.5mm的單晶金剛石，生長速度100μm/h，最高速度達到300μm/h，所得到的單晶呈褐色，經高溫高壓處理后無色。2005年生長出10克拉的透明單晶金剛石。

　　卡內基地質物理實驗室已經能夠讓金剛石方晶在6個(100)面上同時生長，所以晶種尺寸并不構成合戰成大型單晶金剛石的實質性障礙。

　　與HPHT相比，CVD法的主要優點在于：

　　(1) 金剛石純度高，在HPHT法中，金剛石在熔融觸媒里面生長，構成觸媒的金屬原子或多或少會進入金剛石晶格，而在CVD法中，只要使用高純度氣體，原則上就能夠生長高純度金剛石。

　　(2) 生長大單晶金剛石成為可能。CVD裝置屬于一種真空設備，大型化不存在原則上的困難。

　　元素6公司為了深入研究單晶質CVD金剛石的特性，采用AMC225xe、AMC225xe(s)和AMC640xa三種材料制成工件進行切削加工實驗。這三種材料均為AA2124鋁合金基體，增強組分為SiC微粒。

　　試驗結果表明，車削含增強組分SiC的粒度為20μm的AMC225xe(s)材料時，單晶質CVD金剛石切削工具的性能與IIa型天然金剛石切削工具的性能相當。車削含增強組分SiC的粒度為3μm而體積分數高達40%的AMC640xa材料時，單晶質CVD金剛石切削工具的壽命比IIa型天然金剛石切削工具的壽命高33%。

　　總的說來，單晶質CVD金剛石切削工具的壽命比之多晶質CVD金剛石以及聚晶金剛石切削工具的壽命都高，說明前者具有更高的耐磨性。

　　應指出的是，車削鋁合金基體復合材料主要要求切削工具有極高的耐磨性，而切削加工其它金屬基體復合材料如鈦金屬復合材料則不但要求切削工具有優異的耐磨性，還要求有優異的熱學性質。由此可見，單晶質CVD金剛石切削工具在加工金屬基體復合材料中具有廣闊的發展前景[2]。

　　用單晶金剛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剛石切削工具，是采用單晶金剛石制作的。它之所以能進行高精度三維形狀加工和鏡面加工，關鍵在于十分鋒利且經久耐磨的刀刃，刃鋒的平滑度與輪廓精度要求十分嚴格，刃鋒的平滑度要達到納米級，刃尖圓度半徑只有10nm左右。目前應用的微型超精密切削工具有下列三種[1]。

　　超精納微方形立銑刀

　　這種立銑刀是用一顆單晶金剛石制成，刀刃寬度15μm，厚4μm，旋轉直徑30μm，是目前世界上最小的立銑刀。其用途加工光學元件、醫用刀片以及微型機床零件上的三維曲線槽，特別是加工成形隨意曲率的超細槽。

　　超精納微球形立銑刀

　　超精納微球形立銑刀被用于三維表面微凹坑和隨意曲率面的加工，例如，微距鏡組模子的加工等。這種球形立銑刀的弧形半徑可做到R30μm，是世界上最小的球形立銑刀，加工精度可達到納米級。

　　超細槽切削工具

　　這是一種以剃削和快速切削加工超細直線糟的工具，所加工的槽寬只有5μm，，是目前世界上能加工的最細槽。這種切削工具的典型應用就是全息攝影光學元件模具的成形加工，全息攝影光學元件是一種偏振光分散元件，透鏡上有許多超細槽，槽的間距以微米計，利用光的衍射現象能夠任意引起光譜衍射和聚光。隨著光電子學的發展，對超細槽的成形加工將會與日俱增[3]。

　　3  單晶質CVD的特性

　　單晶質CVD金剛石具有很好的耐磨性、抗碎裂性和極高的硬度等綜合力學性能。其楊氏模量（反映韌性）比硬質合金高1.8倍；硬度比硬質合金高千倍。用它制或成的刀具的精細切削刃在工作中可保持穩定的性能，而且加工研磨性強的材料可達到很高的表面光潔度。

　　此外，它還有極高的導熱率，超過2000W/(m.K)，比銅高5倍，因此，在切削過程中.產生的溫升極低，比得上高質量的IIa型天然金剛石。IIa型天然金剛石在工業用的天然金剛石只是很少的一部分，不僅價格昂貴，而且貨源不足。單晶質CVD金剛石.就沒有這些限制，因為它是人工合成的材料，質量受到嚴格控制，可保證化學純度。

　　用天然金剛石制作工具有一定難度。由于天然金剛石的形狀和大小都無規則，鑒定其晶體取需要高水平的技能與豐富經驗。單晶質CVD金剛石能以一定晶體取向和形狀合成，并可按正確晶體取向進行釬焊，所以用它制作切削工具的工藝方法比較省工。

　　4  單晶金剛石在超精密切削加工中的應用

　　金剛石作為一種切削材料主要是利用它的超硬特性，以及所兼備的高熱傳導率、高耐磨性、低膨脹系數和它與被切削材料之間的低摩擦系數。

　　CVD金剛石用于切削有兩種形式：聚晶質CVD金剛石薄膜與單晶質金剛石厚膜或片，可切割成不同形狀。單晶質金剛石切削工具主要用于加工強度高而質量輕的結構材料如金屬基體復合材料(MMCS)等，存在問題是不能制造形狀復雜的切削工具。

　　精密或超精密車刀是大單晶金剛石作為切削材料的一種成功應用。超精密金剛石刀具具有非常廣泛的應用領域，如表1所示。

 表１：超精密切削加工應用領域

　　美國Kennametal公司于2003年推出的新型數控機床刀具KD1405，是一種“純金剛石”刀具材料，它具有良好的韌性，可顯著改善刀具的耐磨性，在用于連續車削及輕負載斷續車削、精銑和半精銑刀加工時，刀具壽命與PDC刀具相比，可提高100%~200%。

　　大單晶金剛石可以做成切刀，用來制作厚度只有幾十納米的生物組織超薄切片。

　　大單晶金剛石制作的手術刀極其鋒利，可以用來進行眼睛和大腦等精密手術。

　　單晶金剛石車刀，廣泛用來加工原子反應堆及精密儀器的反射鏡、計算機硬盤、導彈或太空飛行器的導航陀螺和加速器電子槍等超精密鏡面零件。

　　大單晶金剛石配合高精密車床已經實現最低加工表面粗糙度Ra0.02μm的鏡面加工。

　　有一些用CVD多晶厚膜或PDC復合材料來完成的，如PDC銑刀加工含有氧化鋁的木地板時刃口容易鈍化，必須經常刃磨或更換刀片。如使用單晶金剛石銑刀則壽命大幅度延長，使加工效率得到明顯提高。

　　隨著大單晶金剛石合成技術的提高和成本的降低，在越來越多的場合，大單晶金剛石刀具可以替代CVD或PDC刀具以獲得更高的加工效率。

　　5  結語與展望

　　5.1 單晶金剛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，其中的單晶金剛石尖刀刀具已廣泛用于F-theta透鏡、光纖接頭的V型槽結構、透鏡、光柵等光學自由曲面和復雜微結構功能表面的超精加工中。但是，單晶金剛石尖刀刀具的制備目前仍是一項難度很大的工作[5]。

　　5.2 近些年來，單晶金剛石刀片在高精度切削加工鋁合金材料方面的優越性引起了高度重視。日產研究中心用單晶金剛石刀片與多晶金剛石刀片對汽車的高硅鋁合金活塞、汽缸體與汽缸頭進行高精度切削加工的實驗表明，單晶金剛石刀片的切削刃鋒利得多，而且由于它的晶體取向是一定的，而多晶金剛石刀片的晶體取向是無規則的，所以前者的硬度達到努普硬度104GPa，而后者只有50GPa。前者加工的最終表明粗糙度>Ra0.03μm，后者>Ra0.3μm。雖然前者的成本比后者大3倍，但前者的使用壽命比后者大17倍

　　5.3兩個因素決定了大單晶金剛石作為切削材料在機械加工方面的應用和市場將會快速發展：(1) 機械加工工業發展的總趨勢是高效、高精度和環保意識，大單晶金剛石作為切削材料完全符合這種趨勢。(2) 大單晶金剛石的制造成本。據Gemesis和阿波羅公司透露，目前生產每克拉HPHT大單晶金剛石的成本為100美元，而生產每克拉CVD大單晶金剛石的成本只有5美元。可以預見，隨著大單晶金剛石生產成本的進一步降低，本來使用PDC和CVD多晶厚膜的場合完全可以使用大單晶金剛石。

　　5.4 眾所公認，CVD金剛石超過天然金剛石和HPHT金剛石的主要優點在于可控制其沉積生長過程，以不同摻入物的質和量獲得不同性質的金剛石，而且可形成連續金剛石膜用作大面積鍍層或形一定厚度片狀金剛石，在工業上許多領域勢必取代天然和HPHT金剛石。未來工業金剛石的發展方向應該在CVD技術和CVD金剛石，而不是HPHT合成工藝和HPHT金剛石[6]。

　　5.5 當前，CVD技術面臨最大的挑戰就是如何在確保CVD金剛石質量的前提下盡量提高CVD速度而又不致于增加生產成本。美國SP3公司認為，熱絲CVD技術有利于降低成本。但在2005年初，卡內基與Alabama大學合作研制成功另一種CVD技術及相關設備，可生產10克拉重，1/2英寸厚的單晶質CVD金剛石，沉積生長速度達到100μm，這種CVD技術實際上就是微波等離子CVD法。元素6公司對微波等離子法情有獨鐘，一直在研究改進，目前使用的是微波等離子增強型CVD技術。

　　5.6 從技術上講，HPHT法可生產出4~6mm或以上的大單晶金剛石，但從經濟方面是不可取的。原因是工藝過程難控、周期長、成本高，極難加工成所需要之形狀。鑒于這些原因，世界上最大的工業金剛石的研發與供應商，元素6公司于上世紀90年代初即改變研究重點，由大力研究HPHT合成大顆粒人造金剛石轉向研發CVD金剛石。因為CVD金剛石的最大優點是可以生長大單晶及其所需要的形狀與特定功能的金剛石。

　　參考文獻

　　[1] 王裕昌，人造大單晶金剛石的合成技術進展及主要應用[J]超硬材料工程，2008，6：28~32
　　[2] 談耀麟，單晶質CVD金剛石的特性及其制作切削工具的應用[J]超硬材料工程，2007，6：42~44
　　[3] 淡耀麟，單晶金剛石在高端技術領域的應用[J]超硬材料工程，2006，5：30~33
　　[4] 董長順，玄真武等，CVD金剛石制備方法及其工業化前景分析[J]超硬材料工程，2009，1：33~39
　　[5] 盧猛，趙清亮，單晶金基石尖刀制備工藝的研究[J] 磨料磨具通訊，2008，12：10~12
　　[6] 談耀麟，論CVD金剛石合成技術及其發展趨勢[J]超硬材料工程，2010，3：29~33