超硬刀具材料的本質（二）

ND是目前已知礦物中最硬的物質。它本身質地細密，經過精細研磨，刃口半徑可達0.01-0.002微米。但ND較脆，其結晶各向異性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶體硬度均有差異，在進行刃磨和使用時必須選擇合適的方向。由於其使用條件苛刻，加上ND資源有限，價格昂貴，至今使用較少，目前僅用於某些有色金屬如銅及銅合金和金、銀、銠等貴重金屬特殊零件的高速超精密加工，如錄相機磁碟、光學平面鏡、多面鏡、二次曲面鏡等。

人工合成單晶金剛石的尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性，目前由於高溫高壓的技術日趨成熟，能夠製備具有一定尺寸的人工合成單晶金剛石，De Beers公司和美國生產的合成單晶金剛石顆粒尺寸可達9-10mm，使其在生產中應用迅速發展。尤其在加工高耐磨的層狀木板時，其性能要優於PCD金剛石，不會引起刃口過早鈍化。

人造聚晶金剛石(PCD)和人造聚晶金剛石複合片(PCD/CC)

PCD又稱金剛石燒結體，是在高溫超高壓條件下，通過鈷等金屬結合劑將金剛石微粉聚合成的多晶體材料。其硬度雖低於天然單晶金剛石，但它是隨機取向的金剛石晶粒的聚合，屬各向同性，用作刀具時可以任意取向刃磨，無需像ND必須選用最佳的解理面作為前刀面。在切削時，切削刃對意外損壞不很敏感，抗磨損能力也很強，可長時間保持鋒利的切削刃，加工時可採用很高的切削速度和較大的吃刀量(例如在車削或鏜削鋁合金、黃銅、青銅及其合金時，切削速度為300-1000m/min，進給量為0.05-0.5mm/r，吃刀量可達10mm)，使用壽命一般高於硬質合金(WC基)刀具10-500倍，而且PCD原料來源豐富，其價格只有ND的幾十分之一至十幾分之一，因此應用廣泛，成為傳統WC刀具的高性能替代品。

PCD的性能與金剛石的晶粒尺寸及結合劑的含量有關。De Beers公司生產的PCD刀片有002、010和025幾種，晶粒的平均尺寸分別為2、10和25微米。晶粒尺寸越大，耐磨性越好，但刃口質量稍差，難以製成高精度刀具。相反，用細晶粒PCD製成的刀具、刃口質量好。

為提高PCD刀片的韌性和可焊性，通常將PCD與硬質合金複合做成複合刀片(PCD/CC)，即以硬質合金為基底，在其表面燒結或壓制一層0.5-1mm厚的PCD而成。這種複合刀片(又稱壓層刀片)的抗彎強度與硬質合金基本一致，而工作表面的硬度接近整體PCD，且可焊性好，重磨容易，成本低，故應用廣泛。PCD/CC常用焊或機夾方式製作刀具。英國Smith公司研製多層金剛石複合片，其頂層金剛石濃度為100%，往下逐步下降，同時硬質合金逐漸增加，到襯底全部為硬質合金。這種複合片的強度高，抗衝擊性能好，特別適用於吃刀量大、有衝擊載荷的加工使用。日本住友電工公司採用鐵基合金作基體，所製造的金剛石複合片鑽頭因PCD與鋼刀體有親和作用，可保證複合片與刀體的連結更為牢固。

必須指出，PCD刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質量均不如ND，同時其可加工性很差，磨削比小，難以根據刀頭的幾何形狀任意成形，至今還不能方便地製造帶斷屑槽的可轉位PCD刀片和立銑刀等幾何形狀複雜的產品。

聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶立方氮化硼複合片(PCBN/CC)

PCBN或PCBN/CC製造方法與PCD或PCD/CC相似，是以CBN為原料，經高溫高壓製成聚晶立方氮化硼或其複合片(PCBN/CC)。PCBN/CC的性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性，抗彎強度可達1.47GPa，可經多次重磨使用。

PCBN的性能與CBN的粒度、含量及結合劑種類有關，按其組織大致可分為兩大類∶一類是由CBN晶粒直接結合而成，CBN含量多(70%以上)，硬度高，適用於耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，通過陶瓷結合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al2O3等)燒結而成，這類PCBN中CBN含量少(70%以下)，硬度低，適用於淬硬鋼的切削加工。