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单晶金刚石研磨方法与机理的研究

大连理工大学

硕士学位论文

单晶金刚石研磨方法与机理的研究

姓名:李智

申请学位级别:硕士

专业:机械制造及其自动化

指导教师:马勇

20040301

摘要

摘要

超精密切削是超精密加工中的一个重要领域,它是一项内容广泛的新技术。使用精密的单晶金刚石刀具加工有色金属和非金属,能够直接切出超光滑的加工表面,这样就可以取代超精密磨削等精加工工序,极大的提高加工效率,同时也可以保证加工精度和加工表面质量。近些年来,单晶金刚石刀具已经深入到机械加工的各个领域,起着越来越重要的作用。因此,对单晶金刚石刀具的制作,研磨方法以及研磨机理的研究,已经受到了人们极大的关注。

金刚石的硬度大,耐磨性好,使得金刚石成为理想的刀具材料,但是与此同时也给单晶金刚石刀具的研磨带来了极大的困难。在研磨过程中既要提高磨削率,又要保证刃口质量。针对这个问题,本文从研磨效率入手,对金刚石研磨机进行了改造,分析了各种因素对磨削率的影响,深入的研究了单晶金刚石的研磨机理,并且通过试验的总结和以往经验的借鉴得出研磨单晶金刚石刀具的系统方法。

本文介绍了单晶金刚石刀具的发展状况,并且对单晶金刚石刀具的制作程序和方法以及刀具的设计也进行了详细的阐述。

在文章中,对金刚石研磨机进行了设计改造,使改造后的研磨机操作更加方便灵活,磨削效率显著提高,采用其对单晶金刚石刀具进行粗磨加工,降低了刀具的加工成本,具有很高的应用价值。

研磨效率一直是影响单晶金刚石刀具加工的一个重要问题。课题中通过大量的实验得出影响单晶金刚石刀具研磨效率的主要因素是:砂轮转速、轴向进给量、砂轮径向摆动频率。几项参数值的增加都会导致研磨效率的提高,但是根据实际情况的限制,各项参数应该合理匹配。

通过干研磨与湿研磨的对比试验,发现干研磨的效率远远高于湿研磨,因此得出结论:单晶金刚石刀具的研磨应该在干研磨状态下进行。

通过对陶瓷结合剂砂轮与金属结合剂砂轮的试验结果的对比,得出结论:陶瓷结合剂砂轮可以获得较高的研磨效率,金属结合剂砂轮能够获得更好的刃口质量。

为了提高刃磨工艺水平,就必须对单晶金刚石的刃磨机理进行深入的研究。文中通过扫描电镜进行研究与分析,发现单晶金刚石刀具的研磨主要以热化学去除为主,同时存在着脆性去除和疲劳去除。砂轮类型不同,各种去除方式所占比例有所不同。

最后通过对试验的分析,和以往经验的借鉴,得出单晶金刚石刀具研磨加工的系统方法:单晶金刚石刀具的粗磨主要以去除余量为主,应该尽量采用大粒度的砂轮,如果采用陶瓷结合剂砂轮,效率会更高,在研磨时应该注意寻找金刚石的好磨方向。半精磨可以采用细粒度的金属结合剂砂轮或陶瓷结合剂砂轮,并且应该考虑刃口的质量,为精磨打好基础。单晶金刚石刀具的精磨根据要求应该采用粒度尽可能细的砂轮,并且一定要考虑到影响刃口质量的重要因素,这样就必须对刀刃采取逆磨,并且在进给量给定的前提下,适当的增加研磨时间,只有这样才能获得更加完美的刃口质量。

关键词:单晶金刚石研磨效率砂轮转速轴向进给量刃磨粗磨精磨

AbsTJ'act

Abstract

Superprecisioncuttingisaimportantfieldofsuperprecisionmachining,anditisabroadnewtechnic.Thesuperslippysurfacecanbegotaftercoloredmetalandnon—metalisCutbysinglecrystaldiamondcutter.Inthiswayitcantaketheplaceofsuperprecisiongrinding,theefficiencycanbeincreased,andtheprecisioncanbeguaranteed.Intheseyears。singlecrystaldiamondcurerhavebeenbroadlyusedinthemechanicsmachiningfield,andhoIdaveryimportantposition.Sostudyingmanufacturing,grindingmethods,grindingmechanismof

singlecrystMdiamondcutterhasarosetheattention

ofpeople.

Singlecrystaldiamondisveryhard,anditisa

goodmatenalofcutter.ButatthesalTte

time,grindingdiamondisadifficultwork.On也eCOUrSeofgrindingsinglecrystal

diamondcutter,thegrindingefficiencyshouldbeincreasedandthebladequalityoughttobeguaranteed.Tosolvethisproblem,thispaperstartwithgrindingefficiency,andthediamondgrindingmachineisreconstructed,thegrindingmechanismisstudiedin—depth.Andbyanalyzingexperimentationsandusingforreferencetobypastexperience,也esystemicmethodsofgrindingsinglecrystaldiamondcurerisgot.

Inthispaperthedevelopmentstatusofsinglecrystaldiamondcuttersisintroduced.The

manufactureprocedureandmethodsof

singlecrystaldiamondcubers,the

designofsingle

crystaldiamondcuttersarepresented.

Thegrindingmachinetoolisreconstructed.Afterthemachineisreconstructed,the

grindingefficiencyisenhanced,thehandlingofgrindingmachinebecamemore

agile.After

thegrindingmachineisusedonthecourseofroughgrindingofsinglecrystaldiamondcutter,themachiningcostofsinglecrystaldiamondcutterwillbereduced.Soreconstructingthemachinehasverypracticalvalue.

Grindingefficiencyisaimportantprobleminmachiningdiamondcutters.Inthis

paperby

analyzingexperimentationresults,primaryfactorswhichaffectthegrindingefficiencyaregot,thesefactorsarespeedofgrindingwheel,swingfrequencyofgrindingwheelandfeedofshaftdirection.IncreasingtheseparametersCanimprovegrindingefficiency.Buttheseparametersshouldbematchedlogicallyinwork.

Bythecomparativeexperimentofwheelbondedbyceramicandwheelbondedbymetal,itCanbefoundthatwheelbondedbyceramicCangethighergrindingefficiencyandwheelbondedbymetalcallgetbetterblade.

Inordertoincreasethelevelofbladegrinding,thegrindingmechanismshouldbestudied

in—depth.Inthispaperexperimentationsareanalyzedbyscanningelectronmicroscope,itisfoundthatthethetmochemicalremovalwasdominating,thefatigueremovalandbrittleremovalwassecondaryonthecourseofgrindingsinglecrystaldiamond.Becausegrindingwheelisdifferent,proportionofeveryremovalmodeisdifferent.

Intheendbyanalyzingexperimentationresults,usingforreferencetobypastexperience,thesystemicbladegrindingmethodisgot.Themainpurposeiswipingoffunwantedmaterialonthecourseofroughgrinding,thebiggergrainwheelshouldbeused.Thegrindingwheel

Absttact

withceramicbondwillgethighergrindingefficiencyifitisused.Firstly,the咖dingdirectioninwhichthegrindingishighershouldbefound.Thelessgrainwheelshouldbeusedinthecourseofhalfprecisegrnding,andthebladequalityshouldbeconsideredinordertoprepareforprecisegrinding.Onthecourseofprecisiongrinding,thegrainofwheelisless,thequalityofbladeisbetter,andtheprimaryfactorswhichaffectbladequalityshouldbeconsidered.Inordertogetthebestblade,thereversegrindingshouldbeadopted,andthe舒ndingtimeshouldbeincreasedappropriatelyonthecourseofprecisiongrinding.

Keywords:singlecrystaldiamondgrindingefficiencyspeed

ofgrindingwheel

feedofshaftdirectionbladegrindingroughgrindingprecisiongrinding

单晶金刚石刀具研磨方法与机理的研究

第一章绪论

1.1引言

超精密切削是60年代发展起来的新技术,它在国防和尖端技术的发展中起着重要的作用。由于超精密切削可以替代研磨等很费工时的超精密磨削等精加工工序,不仅节省工时,同时提高加工精度和加工表面质量,近年来受到各国的重视和发展。

提起精密和超精密切削就离不开金刚石刀具,目前金刚石在机械领域的应用非常广泛,其中最主要的就是用做刀具材料,.由于金刚石是目前自然界中最硬的物质,因此金刚石被用作超硬刀具材料已有数百年历史,二十世纪七十年代,人41"IN用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD),解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题,使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。PCD刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。目前,PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。

采用化学气象沉积(CVD)法制成的一种全晶质多晶纯金刚石材料(CVD金刚石)不含任何金属或非金属添加剂,机械性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点,在~定程度上又克服了他们的不足。CVD金刚石工具产品的使用性能在许多方面超过聚晶金刚石的同类产品,而且抗冲击性超过单晶金风0石,高光洁度接近单晶金刚石。CVD金刚石极好的超硬耐磨性和良好的韧性使之能成功地加工大多数非金属材料和多种金属材料。CVD金刚石还可用作以车代磨的高效、高精密加工工具,可加工至镜面光洁度,而成本却远远低于价格昂贵的天然金剐石(单晶金剐石)工具。因此,CVD金刚石被看作是一种非常有前景的新金刚石材料。

近些年随着超精密切削技术的高速发展,单晶金刚石刀具在超精密切削领域已经占有了不可替代的地位。除高科技领域外,单晶金刚石刀具在普通工业和民用产品加工中的应用也在逐年增长,单晶金剐石刀具已经深入机械加工各个领域,起着越来越重要的作用。

1.2课题的研究意义

单晶金刚石无内部晶界的均匀晶体结构使刀具刃口理论上可达到原子级的平直度与锋利度,切削时切薄能力强、精度高、切削力小;单晶金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命,能保证持续长久的正常切削,并减少由于刀具磨损对零件精度的影响;其较高的导热系数又可降低切削温度和零件的热变形。

由于单晶金刚石的独特性能,使得对其本身的加工非常困难。单晶金刚石硬度大、耐

单晶金刚石刀具研磨方法与机理的研究

磨性好导致研磨效率低,耗费工时长。单晶金刚石具有各向异性和解理现象,不同晶向的物理性能相差很大,使得单晶金刚石刀具的刃磨具有独特性,刃磨方法显得至关重要。这样单晶金刚石刀具研磨问题的解决有着十分现实的意义,一方面可以提高研磨效率,降低加工成本,促进刀具的普及与应用,另一方面有利于刀具刃口质量的进一步提高,促进超精密切削技术的发展。

本课题从研磨效率入手,对研磨机进行了改造,分析了各种因素对磨削率的影响,深入的研究了单晶金刚石的研磨机理,并且通过试验的总结和以往经验的借鉴得出了研磨单晶金刚石刀具的系统方法。

1.3课题的主要研究工作

本课题研究了单晶金刚石研磨方法和机理,此外,还对研磨机进行了设计和改造,主要工作的内容如下:

1.改造单晶金刚石研磨机,设计一个带有曲柄滑块儿机构的夹具,使之操作更加灵活,增加一定的功能,改造后用于单晶金刚石刀具的粗磨。

2.对单晶金刚石进行研磨效率试验,通过各个因素对单晶金刚石研磨效率影响的程度,找出影响研磨效率最重要的因素,得到提高研磨效率的方法。

3.重点考察陶瓷结合剂金刚石砂轮对单晶金刚石刀具的研磨效率与质量的影响,并使之与金属结合剂金刚石砂轮进行对比分析。

4.利用扫描电镜对加工后的单晶金刚石刀具的刃口以及前后刀面形貌进行分析,深入的研究单晶金刚石刀具的刃磨机理。

5.得出单晶金刚石刀具刃磨的系统方法。

1.4单晶金刚石刀具传统加工工艺Ⅲ

单晶金刚石刀具是二战后为满足手表精密零件、光饰件以及首饰雕花等加工需要而发展起来的,其制造工艺起源于钻石首饰的研磨抛光技术,它的发展带来了手表及相关制造技术的重大变革。

钻石首饰的研磨抛光工艺方法为:在铸铁研磨盘的上表面涂敷金刚石微粉与橄榄油混合而成的研磨膏,并使金刚石微粉镶嵌在铸铁表面的微小孔隙中,固定于夹具滑板上的钻石首饰靠夹具的自重压在高速旋转的研磨盘上进行研磨。

采用钻石首饰加工方法研磨天然金刚石刀具时,需完成以下特殊工艺:

a.刀刃处理及检测:刀刃质量将直接影响被加工零件质量。

b.定向:将刀具最剧烈磨损面置于金刚石最硬晶面上,使刀具使用寿命最长。传统的定向方法一般采用肉眼定向。

C.装卡:在切削过程中,天然金刚石刀具要承受来自各个方向的切削力,为保证连续、稳定的切削,必须将金刚石刀具牢固安装在刀杆上。由于当时尚未发明金刚石钎焊技术,因此只能采用机械夹持。

由于传统的金刚石刀具加工方法工艺简单,设备造价低,因此直至今天仍用于金刚石

刀具的粗加工。为进一步完善金刚石刀具加工工艺,半个世纪以来科技人员对金刚石晶体的物理、化学性质以及金刚石刀具研磨机理、刀刃形成机理、切削理论、钎焊技术、精密刃磨设备等课题进行了大量研究,为天然金刚石刀具超精密加工技术的开发打下了坚实基础,许多研究课题今天仍在继续进行。

1.5单晶金刚石刀具的发展过程

二十世纪七十年代后期,在激光核融合技术的研究中,需要大量加工高精度软质金属反射镜,要求软质金属表面粗糙度和形状精度达到超精密水平。如采用传统的研磨、抛光加工方法,不仅加工时间长、费用高、操作难度大,而且不易达到要求的精度。因此,需要开发新的加工方法。在现实需求的推动下,天然金刚石超精密镜面切削技术得以迅速发展,在已有的金刚石车削技术基础上,通过提高机床精度与刚性、严格控制加工时的振动和温度漂移、研制超精密天然金刚石刀具等,形成了镜面切削工艺,并发展成为一项专门技术。作为超精密镜面切削的关键技术之一,天然金刚石刀具技术在理论及实践上都取得了显著的创新与发展,主要体现在以下几方面。

1.5,1超精密金刚石刀具的开发

a.在主切削刃与副切削刃之间引入修光刃,使已加工表面的理论粗糙度接近于零且修光刃在500倍或更高倍显微镜下检测时无缺陷。

b.金刚石刀具关键角度的加工精度达到2”。

C.车削内曲面所用圆弧刀具的圆弧精度达到微米量级。

1.5.2精密刃磨设备的研制

由于传统的研磨设备已无法满足超精密金刚石刀具的加工要求,因此开发了采用空气轴承的圆弧与刀刃研磨机,其刃磨精度可达O.1pm。

1.5.3精密定向技术及装备

对金刚石刀具定向的目的不仅是要使刀具具有最长寿命,而且要求刀具后刀面与已加工表面的摩擦及刀刃附近解理面的应力达到最小。为此,需要采用更糟密的x射线衍射仪进行定向。

1.5.4真空钎焊技术的发明

真空钎焊是金刚石刀具制造技术最重要的突破之一。一方面,传统的机械夹持方法可能导致金刚石刀具在切削中产生微小位移和振动等缺陷,影响加工质量:另一方面,由于

金刚石本身具有极高化学稳定性,一般条件下很难与其它金属发生反应而实现焊接,即金刚石具有不可焊性。为解决这一矛盾,经过长期研究和探索,终于发现了钎焊金刚石的特定条件(高真空环境)和钎焊合金(以钛为活性元素的银基合金)。

1.5.5刀具磨损机理的确立

通过研究发现,在切削过程中,金刚石刀具的磨损以化学粘结磨损为主,并存在少量机械磨损等其它磨损形式。刀具磨损机理的确立决定了刀具定向原则:将化学稳定性最好的晶面置于刀具的后刀面。

1.5.6机械磨削方法的系统研究

传统的金刚石机械磨削方法是采用高磷铸铁盘或者钢盘进行研磨,研磨工艺比较讲究,目前机械磨削以金刚石砂轮为主要工具,通过长时间的摸索,单晶金刚石的研磨方法已经取得了很大的发展。

1.5.7金刚石理论研究的进展

通过对金刚石理论的深入研究,发现了金刚石的宏观塑性变形(过去认为金剐石只有少量弹性变形而无塑性变形):研究了金刚石晶体中的微量杂质,根据杂质的不同将余刚石分为四类,从而可根据不同用途选择不同种类的金刚石:此外,通过对金刚石的断裂特性、解理特性、表面形成机理等进行系统的理论研究,获得了大量数据,形成了各种理论,对金刚石有了更为科学、更为深刻的认识。

这一阶段金刚石刀具技术的发展特点是:由于金刚石刀具被应用于国防、高科技等领域,因此得到大量资金投入,在研究中使用了尖端设备、仪器和最新科学方法,取得了飞跃性发展。

1.6单晶金刚石刀具发展现状

金刚石的晶体结构属等轴面心立方晶系,三向晶轴等长,每个碳原子通过sP’杂化轨道同其他4个碳原子相连接,形成共价键,具有很强的结合力、稳定性和方向性。独特的晶体结构使金刚石具有自然界物质中最高的硬度、刚性、折射率、导热系数以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性等。

单晶金刚石的优良特性可满足精密及超精密切削加工对刀具材料的要求,是理想的精密与超精密切削刀具材料。天然金刚石没有内部晶界,这样的均匀晶体结构使刀具刃口理论上可达到原子级的平直度与锋利度,切削时切薄能力强、精度高、切削力小:天然金刚石的硬度、抗磨损与抗腐蚀性和化学稳定性保证了刀具的超长寿命,能保证持续长久的正常切削,并减少由于刀具磨损对零件精度的影响:其较高的导热系数又可降低切削温

度和零件的热变形。因此,天然金刚石作为超硬刀具材料在机械加工领域有着重要地位并得到了广泛应用,尤其在超精密加工领域(如加工用于原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、用于导弹或火箭中的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪等超精密零件),采用天然金刚石刀具无论在价格上还是在精度上都比传统加工方法具有明显优势。

除高科技领域外,天然金刚石刀具在普通工业和民用产品加工中的应用也在不断的增长,目前已从传统的手表零件加工发展到铝活塞、首饰、制笔、高光标牌、有色金属装饰件等的加工,可以说单晶金刚石刀具已深入机械加工各个领域,起着越来越重要的作用。

另~方面,由于单晶金刚石的独特性能,使得对其本身的加工非常困难。单晶金刚石刀具具有极高硬度,必须采用特殊方法进行研磨,对操作工人的技术也有很高要求:由于单晶金刚石具有良好的化学稳定性,过去长期无法对其进行焊接,只能采用机械方法夹持大颗粒金刚石,造成金刚石材料的浪费与刀具价格居高不下,同时还影响了刀具和零件的精度。近百年来,科技人员对金刚石刀具在机械加工中的重要作用、应用前景及实现方法等进行了长期研究及开发,取得了丰硕成果。

1.7单晶金刚石刀具最新加工技术侄1

机械研磨方法是传统的单晶金刚石刀具的加工方法,也是目前普遍采用的加工方法。采用研磨方法制造金刚石刀具时,研磨线速度高,局部压力大,对刀具表面及刃口冲击剧烈,不可避免地会导致刀具表面产生微小沟纹和较厚的加工变质层,且刀刃锯齿度较大,从而限制了刀具质量的进一步提高。试验表明,采用机械方法研磨金刚石的表面粗糙度极限值约为3n讯,刀刃锯齿度最小只能达到几十纳米的数量级,表面加工变质层厚度约为200nm。

随着超精密加工技术的不断发展以及加工精度的不断提高,对金刚石刀具的精度及质量要求也更为苛刻。研究还发现,刀具表面变质层厚度将直接影响刀具的寿命与零件的加工质量。因此,开发新型的金刚石刀具加工方法无疑是突破机械研磨方法对刀具质量限制的有效途径。

为了达到对金刚石加工的一些特殊要求,或者完成采用传统的机械研磨方法无法达到的加工精度,近些年来国内外出现了四种较为典型的金刚石工具加工方法。

1.7.1离子束溅蚀法

离子束溅蚀法是利用高能离子的轰击作用直接对被加工工件进行物理溅蚀,以实现原子级的微细加工。离子束溅蚀法的加工原理如图1—1所示。采用扩散泵使加工室达到lO‘5torr的真空.然后充入压力为5×10“tort的工作气体(如氨气)。钨阴极与环状阳极之间的电压为40v,可保证电极间的持续放电。永久磁铁产生的轴向磁场为热激发电予形成一个螺旋形长通道,可最大程度地使氩气电离为等离子体。由等离子体中释放出的离子束通过双层栅极聚焦系统(其中内栅起隔离作用,外栅用于离子束的加速),由此形成具有

强方向性及低散射能的簇射离子束。被加工的金刚石安装在一个倾斜角可调的回转工作台上,距栅极约5mm。通过改变回转轴的倾角范围和回转速度,可得到不同的加工形状及加工精度。加工速率及质量与离子束能量、工件表面电流密度及离子束相对于被加工表面的夹角有关。离子束溅蚀法最适于加工关键尺寸小于1Hm的微小金刚石工具,并可达到很高的形状精度。

图卜l离子束溅蚀法的加工原理

Figl—1workprincipleofionbundlespattermethod

17.2真空等离子化学抛光法

真空等离子化学抛光法的加工原理如图卜2所示。转动的磨盘被中间的高真空区分为左右两部分。左边为沉积区,采用真空等离子物理气相沉积法在磨盘表面镀上一层细晶粒氧化硅:右边为研磨区,金刚石表面处于活化状态的碳原子通过与磨盘上的氧化硅发生分子级化学反应而形成磨削作用。反应生成的一氧化碳或二氧化碳气体被真空泵抽出反应室。该方法的研磨速度为1~3000且m3/s,约每秒0.25~750个原子层,可研磨出极高质量的刃口。该方法最先被美国刀刃技术公司用于研磨超精密金刚石镜面切削刀具,该刀具可广泛用于加工各种纳米级精度的超精表面。

图卜2真空等离子化学抛光法

Figl一2vaccumplasmchemistrypolishingmethod

1.7.3无损伤机械化学抛光法

该方法是在NaOH溶液中加入适量的细金刚石粉和更细微(达纳米级)的硅粉,带强负静电的细微硅粉会吸附在粒度大得多的单个金刚石微粒上形成具有硅吸附层的金刚石磨料,然后将其涂敷在多孔的铸铁磨盘上对被加工金刚石进行研磨。研磨时,吸附在金刚石微粒上的硅粉一方面可阻止金刚石微粒对被加工金刚石表面的直接冲击,保护金剐石表面不会产生深度损伤,另一方面可与被加工金刚石表面发生反应并通过其微弱的磨削作用将反应层去除。该方法的磨削速度非常低,仅为每分钟一个原子层。

1.74热化学抛光法

在温度为800。C时,若使金刚石表面与铁接触,金刚石晶体中的碳原子能够摆脱自身晶格的约束,扩散到铁晶体晶格中去。热化学抛光法即是运用此机理对金刚石表面进行研磨加工。研磨时,在氢气气氛中将铁质研磨盘加热到800℃,使被加工金刚石表面与铁质研磨盘接触并相对滑动,金刚石晶格中的碳原子就会扩散到铁晶体晶格中,达到磨削金刚石的目的。进入铁晶格中的碳又与氢气反应生成甲烷并随气流散发到空气中。该方法的磨削速度为每秒40~2000个原子层。利用该方法刻蚀金刚石,还可在其表面加工出图案和花纹,制成各种精美的金刚石工艺品。

使用上述几种加工方法,被加工金刚石表面无冲击.避免了机械加工方法造成的表面冲击沟痕,使被加工表面异常光洁,其表面粗糙度可达lnm。被加工金刚石表面与研磨盘之间的接触力非常小,易于研磨出高质量的刀刃。被加工金刚石表面的损伤与变质层较浅可提高金刚石刀具的寿命。

此外,采用机械方法加工制成的金刚石刀具用于镜面切削时,通常存在一个“磨合期,,即需要经过一段时间的切削过程,刀具才能达到最佳加工效果。究其原因,是由于刀刃圆弧实际是由一些不规则的折线组成。研究文献表明,化学研磨方法可得到比机械加工方法光滑得多的刀具刃口圆弧,制成的刀具在使用过程中可消除“磨合期”,且工件表面加工质量得以大幅度提高。

但是上述几种加工方法的应用是受到限制的,由于加工时磨削速度很低,只适用于精磨加工后的超精密抛光。因此目前金刚石的加工还是主要采用机械加工的方法。

1.8金刚石刀具技术发展方向

纵观金刚石刀具技术的发展历程,其技术发展路线为:传统工艺及批量生产一理论研究一超精密加工技术及批量生产一理论突破一最新尖端刃磨技术。可以预测,金刚石刀具技术今后的发展方向将是实现最新尖端加工技术的批量化生产以及以这些尖端技术为基础的理论研究。

一项新的加工技术,从研制成功到实现批量化生产需要解决的主要问题是降低生产成本、提高工艺效率和简化操作过程。金刚石钎焊技术批量化生产的实现就是一个典

型实例:七十年代末期发明的金刚石真空钎焊技术需要一整套昂贵的真空设备和较长的抽真空时间,加工成本高,效率低,操作过程复杂。十年后出现的保护气氛钎焊技术有效解决了这些问题,基本满足了批量化生产的要求,设备成本降至真空钎焊的1/5,焊接时间从真空钎焊的2小时缩短至20分钟,所采用的半开放焊接室大大简化了操作过程。

最新的化学机械抛光方法同样存在成本高、效率低、操作过程复杂等问题,需要系统研究其磨削机理、各种加工参数对加工效率和质量的影响,并在此基础上提出新的实现方案,经过试验、改进,最终达到批量生产的要求。

除化学机械抛光方法的研究外,机械研磨方法的磨削机理也是一个古老而富有挑战性的研究课题a从五十年代的碳化与解理之争到九十年代的解理与塑性变形理论.虽然都能解释金刚石磨削硬度的各向异性,但却缺乏严谨、完整的理论体系和具有说服力的实验证明,其原因是金刚石表面异常光洁,需要采用原子级的表面状态、微应力与微裂纹观测手段对其进行分析。随着科学技术的不断发展,这些观测手段正逐渐成为可能。此外,对于金刚石的机械、物理、化学性能,大多缺乏精确的数据。如何精确测定金刚石的硬度(目前只能确定0.4~1.3GPa范围)也是将来需要进一步研究的课题。

第二章金刚石的性能和晶体结构

2.1金刚石的性质。1

2.1.1光学性质

2.1.t.1颜色

由碳组成的纯净无色透明的金刚石在自然界中微乎其微。在金刚石的形成过程中,其成分总是或多或少地混入了微量元素N、B等杂质,使得大多数的金刚石带有一定的颜色色调。由于所含微量元素的神类不同,同种微量元素的含量不同,则金剐石的颜色也有差异,主要分为以下三大系列:

无色一浅黄色系列(好望角系列)

无色、极透明到带有不同浓度黄色色调的浅黄色金刚石。若无色透明中显示极淡的蓝色者被称为“水火”色,为金刚石的最佳颜色。带有黄色一般都“减等”。好望角系列是自然界中最常见的金刚石颜色系列。

淡褐一褐绿系列(咖啡系列)

极淡的褐色到褐色、褐绿色。颜色的形成可能与金剐石的塑性变形有关。这是自然界中另一较常见的系列,商业上俗称咖啡钻。

彩色系列(彩色金刚石)

常见的彩色金刚石有黄色、褐色和黄绿色,粉红色、紫红色和蓝色较少见,而红色最罕见。彩色金刚石的颜色达到了一定饱和度,具有清晰、特征色调的金刚石称为彩色金剐石,彩色金刚石因极为瑰丽、稀有而身价百倍。

2.1.1-2光泽

光泽是指矿物表面对光反射的一种光学性质。金刚石的光泽非常强,为金刚光泽。抛光的金刚石表面上能将相当部分的光作平面反射,具有光灿灿的外观。

2.1.1.3色散

色散是指白光通过透明物质的倾斜平面时可以分解为组成它的各种波长的光谱色的现象。因为不同波长的光通过同种物质时其折射率不同,亦即使不同波长的光折射的角度不同。而白光是由不同波长的光所组成,故通过金刚石的时候会产生色散现象。色散的强度是可以测量的,通常用弗朗霍夫光谱B(B线为687nm)和G(G线为430.8nm)线相当的光所测得的折射率的差值来表示。

自光分离为有色光的程度主要是根据入射光自金刚石表面射入空气中的角度(人射角)而定,当入射角仅略小于金刚石的临界角时色散效果最明显。如果入射角大于临界角则发生全反射。

金刚石的色散值D=N盘刚5(黹)一N盘刚i(红)=2.451—2.407=0.044

色散是金刚石所具有的十分可贵的光学性质。色散产生的色光会增加其内在美,使之显得华贵而高雅。

2.1.1‘4发光性

金刚石的发光性良好,在高能射线的照射下,能发出各种颜色的光。金刚石的发光性是由于晶体结构中晶格缺陷捕获的电子吸收了较高的外加能量(如紫外线,X射线等),从基态激发到能量较高的激发态后又从激发态回到能量较低的基态时,以能量守恒定律,它将以热和不同颜色色光的形式释放受激发时所吸收的能量。金刚石的发光性被广泛应用到选矿工作中。

2.1.1.5透明度

自然界中的金刚石有透明,半透明,不透明的,从理论上讲不含杂质,结构上无任何缺陷的金刚石在波长200--4800nm范围内应该是透明的。

21.2力学性质

2.1.2.1解理

金刚石具有平行(111)面方向的完全解理现象,金刚石中的碳原子与碳原子之间是以力量较强的共价键结合在一起的。但是在金刚石结构中的某些特定方向,如平行八面体面方向,施加一定的力后,金刚石非常容易破裂(这是因为晶体中连接此面的键相对较少)。破裂面(解理面)十分光滑平坦。由于平行八面体面方向易破裂,因此,不管金刚石原石的外形如何均可劈成规则的正八面体(图2一l、图2—2)。加工金刚石时正是利用了这一性质。

金刚石的解理是鉴定金刚石的重要特征之一。

可指协舞曲方向

图2-1沿八面体切割方向图2-2沿立方体切割方向Fi92—1incisingdirectiondownoctahedronFi92—2incisingdirectiondowncube2.1.2.2硬度

硬度是指金刚石抵抗某种外来机械作用(如刻划、压入、研磨)的能力。通常所指的硬度是指摩氏硬度,即金刚石与摩氏硬度计相比较的刻划硬度。

金刚石的内部碳原子以最紧密的方式排列,原子之间的结合力非常牢固,使得金刚石成为硬度最大的矿物。

单晶金刚石刀具研磨方法与机理的研究

摩氏硬度

这是1822年由德国矿物学家摩氏提出的。摩氏硬度计由10种矿物组成,按其相对软硬程度分为10级(表2—1),金刚石的摩氏硬度为10。

用摩氏硬度计测试金刚石硬度十分简单,应用的范围很普遍。但摩氏硬度较为租略,仅仅是硬度的相对顺序,代表不了真实的硬度。

矿翰名称雎瞳碰度矿物名称雎氏硬度

滑石1正授嚣8

罚街2嚣荚7

方解苔3赞垂8

蝥善4刚篷9

碑灰_;石S袅剐石10

表2—1各种矿物的摩氏硬度

table2—1rigidityofmanyminerals

绝对硬度

精确测定金刚石的硬度时常用显微硬度计或测硬仪来测定。显微硬度计的设备和测试比较复杂,主要用于科学研究。一般的情况下不用于金刚石的硬度测试。其原理是用~个呈四方锥形(相对锥角间的夹角口为136。)的金刚石,负载一定荷重P(kg)压入矿物后,根据矿物表面的凹痕对角线长度d(ms),按下列公式计算硬度(H):

H=2sin竺?妥2dz

用这种方法测出的硬度,其硬度增高的幅度极不规则。如金刚石的绝对硬度是石英的1000倍,比刚玉高150倍。

金刚石的硬度具有方向性的特征,这与其结构的异向性有关。其硬度的方向性决定了金刚石的锯切方向和研磨方向

2.1,2.3密度

物质的密度是指单位体积物质的重量。

金刚石的密度为3.52g/cm3。由于所含微量元素不同,因此不同颜色的金刚石的密度略有不同:无色金刚石为3.521,玫瑰色金刚石为3.531,绿色金刚石为3.523,橙色金刚石为3.550,天蓝色金刚石为3.525。黑色金刚石的密度小,为3.012~3.416,主要是含有石墨杂质的缘故。

2.1.2.4脆性

矿物受外力作用时容易破碎的性质称为脆性。

当用老虎钳挤压金刚石时,它很坚固,可抵抗很大的压力。但金刚石经不起撞击,若重击则易碎裂,即金刚石相当脆,它比软玉脆得多,但又没玻璃那么脆。

2.13热学性质

2.1.3.1导热性,

金刚石是一种非常好的热导体,这是钻石触觉较凉的原因。它与晶体中碳原子振动或共振频率有关。在金刚石晶体中,碳原子非常轻而结合的键力却非常强。因此,原子的振动或共振的频率非常高,每秒40亿万次。热量(原子运动的能量)可以非常迅速地传过金刚石而不会被吸收。

金刚石的热导率为1000~2600w/m?℃,导热能力比金属还高得多。

2,I。3.2热膨胀性

热膨胀性是指物质受热朝各个方向膨胀的性质。金刚石的热膨胀系数小,热膨胀性非常低,温度的突然变化对金刚石影响不大。例如,无裂隙和包裹体的纯净金刚石在真空中加热1800"C后迅速冷却,不会给金刚石带来任何损害,这有利于零件的加工和金剐石的镶嵌。但若在金刚石中含有热膨胀性大于金刚石的其他矿物包裹体或存在裂隙时,不易加热金刚石,否则会使金网Ⅱ石产生破裂。

2.1.3.3熔点

金刚石的熔点约为400013(绝氧的条件),在空气中燃烧温度为850~1000。C,燃烧时发出浅蓝色火焰,变成cO。。在绝氧条件下,金刚石加热到2000~3000℃,缓慢地变成石墨。

2.1.4电学性质

金刚石中的碳原子彼此以共价键结合,在结构中没有自由电子存在。因此大多数金刚石是良好的绝缘体,在室温下电阻率极大,且随着温度的升高而线性降低。若金刚石被高能射线辐射或加热,使其结构破坏并产生一些自由电子,由此产生极小的电导率。金刚石的电学最大特点是它的掺杂性。通过适当的掺杂使金刚石具有半导体性质,若用它做成半导体元件儿。不仅可以抗辐射,而且能在600。C环境温度下正常工作,现今所有半导体都只能在低于100。C下工作,从目前所用的所有半导体材料来看,金刚石的各种重要参数均优于现今常规半导体材料Si和砷化钾(GaAs)。

2.1.5化学性质

金刚石的化学性质非常稳定,在酸和碱中均不溶解。如在高浓度的氢氟酸,盐酸,硫酸,硝酸中不溶解,王水对它也不起作用,但在一定条件下热的氧化剂却可以腐蚀金刚石。

2.2金刚石的晶体结构

金剐石晶体属于立方晶系,常遇到的天然金刚石为8面体和12面体,有时也会遇到

6面体或其他晶形。人造单晶金刚石常为6面体、8面体和12面体。优质单晶金刚石晶形都比较规整。

金刚石晶体具有各向异性和解理现象,不同晶向的物理性能相差很大,因此有必要了解金刚石的晶体结构及其特性。

22,1金刚石的晶体形态

金刚石中的原予排列如图2—3所示。可以认为金刚石的基本单元是面心立方体。大量的基本单元按照一定的规律有序的排列在一起,组成一定的形态…一构成了金刚石的晶体形态(图2—4)。

图2-3金刚石的晶体结构

Fi92—3crystalstructureofdiamond

自然界中金刚石的理想晶形很少,多数晶面生长不均,呈弯曲状、变形状,晶体形态复杂,但仍可将大多数晶形归纳为三种基本单形,其他类型均为不同单形的聚形(图2—5)。八面体(图2—5(b))是金刚石中最常见的形态。

菱形十二面体(图2—5(C)),居金刚石晶形中的第二位。

立方体(图2—5(a)),是较少出现的晶形。除上述三种基本单形及它们的聚形外。还有少数上述单形与四六面体、四面体等组成的聚形。

但是,在实际结晶过程中,如果同种类型的结晶面在某些地段受到限制或晶体在所有方向上都没有足够空间自由生长。比如,当条件不允许八面体的平面和棱角发育时,那么晶体外观会出现圆形化或阶梯状,晶体在总体上沿某些结晶轴方向变扁或拉长。另外,晶体在形成之后受到化学熔蚀或溶解作用也可导致呈不规则形态。所以,歪斜形状的晶体(图2—6所示)要远比标准形状多。若考虑到双晶,那么金刚石所呈现的形态就更加丰富了。值得注意的是,不同原生矿床中的金刚石,往往存在着晶体形态特征的差异性,如南非金刚石多为八面体(南非型):巴西的多为菱形十二面体(巴西型);印度的除八面体外,亦见曲面六八面体的异形:中国的金刚石有菱形十二面体、八面体及八面体与菱形十二面体聚形。

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■雾

争每

图2叫基本单元组成的金刚石的常见晶形

(a)立方体(b)立方体和菱形12面体(C)八面体(d)菱形12面体

Fi92—4f8lIliliarcrystalshapeofdiamondformedwithbasalcell

a.cubeb.cubeandlozengedodecahedronC.octahedrond.10zengedodecahedron

图2-5金刚石的晶体形态

(a)立方体(b)八面体(c)菱形12面体(d)立方体+八面体(e)八面体十立方体

(f)菱形12面体+Jk面体(g)菱形12面体+立方体(h)菱形12面体+八面体+立方体

Fi92—5crystalshapeofdiamond

a.cubeb.octahedrone.10zengedodecahedrond.cube+octahedron

e.octahedron+cubef.10zengedodecahedron+octahedron

g.10zengedodecahedron+cubeh.10zengedodecahedrOn+octahedrOn+cube

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图2-6金刚石的晶体形态

Fi92_6crystalshapeofdiamond

2.2.2金刚石晶体的晶轴和晶面“。1

按晶体学原理,六方晶系的金刚石晶体有三个主要晶面:(100)、(儿1)、(110)。当用x光对这些晶面垂直照射时,形成的衍射图形上的黑点显示出4次、3次、2次对称现象,故和上述晶面垂直的轴称为4次对称轴[和(100)晶面垂直]、3次对称轴[和(1l1)晶面垂直]、2次对称轴[和(110)晶面垂直]。

规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体。八面体、十二面体和六面体中均有三根四次对称轴、四根三次对称轴、六根二次对称轴。

八面体有八个(111)面围成的外表面(图2--7)。在八面体中,两个对应四个面相交点的连线是四次对称轴,和四次对称轴垂直的各面为(100)晶面(图2—7a),(111)晶面的法线方向是三次对称轴(图2—7b),每俩相对棱边的中点的连线方向是二次对称轴,和二次对称轴垂直的是(110)晶面(图2-7c).

令◇黟

图2—7八面体的晶轴和晶面

Fi92—7crystalaxiSandcrystalfaceofoctahedron

菱形十二面体由十二个(110)晶面围成外表面。在菱形十二面体中,(110)晶面的法线方向是二次对称轴,两个对应三个面交点的连线是三次对称轴,和三次对称轴垂直的是(111)晶面,两个对应四个面交点的连线是四次对称轴,和四次对称轴垂直的是(100)

⑧@⑧⑧⑨汐

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晶面。

六面立方体是由六个(i00)晶面围成外表面。在六面体中(i00)晶面的法线方向是四次对称轴,俩对应角的连线是三次对称铀,和三次对称轴垂直的是(111)晶面。每两对棱的中点连线方向是二次对称轴,和二次对称轴垂直的是(1lO)晶面。

2.2.2金刚石晶体的面网

晶体内部分布有原子的面是晶面,也称面网。金刚石是六方晶系,主要面网有(100)、(111)和(110)。面网上原子排列形式和原子密度不同和面网问的距离不同将直接影响其性能,造成金刚石晶体各向异性,晶体的不同晶向性能差异甚大。

2.2.2.1金刚石晶体各面网的最小单元

从晶体学理论得知,金刚石晶体的(100)、(111)和(1lO)面网的最小单元如图(2—8)所示。

设金刚石晶体中单位晶胞(六面体)的边长为D(D=a。=O.35667nm),(i00)面网的最小单元为正方形,边长为D。有五个碳原子(图2—8a);(1lO)面网的最小单元为正三角形,有八个碳原子,边长为D和√2D(图2—8b);(111)面网的最小单元为正三角形,有六个碳原子,边长为√2D(图2-8c)

(a)(b)(c)

图2_8金刚石不同晶面的面网最小单元

a:(ioo)晶面b:(110)晶面C:(111)晶面

Fig2-8theleastfacenetcellincrystalfacesofdiamond

a:(ioo)crystalfaceb:(110)crystalfaceC(1i1)crystalface2.2.2.2金刚石晶体的面网密度

面网的单位面积上的原子数称为面网密度。面网密度直接影响金刚石的硬度和耐磨性,下面分析金刚石晶体不同晶面的面网密度。

(i00)面网的最小单元为正方形,正方形中原子分布如图2—8a所示,面积为D2。正方形四个角上的每个原子是四个相邻正方形所共有,每个原子在这正方形单元中只能算l/4,故在这面积中的原子数等于4Xl/4+1=2。(i00)面网的密度等于2/D2。

(110)面网的最小单元为矩形,矩形中原子分布如图2—8b所示。此矩形的面积为Dt√2D=√2D2。矩形四个角上的每个原子是相邻四个矩形所共有,在此矩形中只能算I/4:矩形两条长边中间的每个原子是两个相邻矩形所共有,在此矩形中只能算I/2。因此在此矩形面积中的原子数等于(4xl/4+2xl/2+2=4)。(110)面网的密度等于4/(压D2)。

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