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一文秒懂聚晶金刚石PCD

一文秒懂聚晶金刚石PCD

聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,简称PCD)是20世纪70年代以来国际上开始研究使用的新型超硬材料,它是在高温1400℃、高压6GPa下烧结形成的。

聚晶金刚石既是工程材料,又是新型的功能性材料;既是高新技术产品,又是高效益的产品。随着现代工业和科学技术的发展,聚晶金刚石以其优良的力、热、化学、声、光、电等性能,在现代工业、国防和高新技术等领域中得到日益广泛的应用。

 聚晶金刚石刀具已成为现代切削加工中不可缺少的必要手段。这主要体现在以下几个方面:

  (1)   高速切削、高稳定性加工

  (2)  超精密镜面加工

  (3) 干式切削、清洁化加工

                                                                            性能介绍

(1)  高的硬度和耐磨性   

聚晶金刚石的硬度高达10000HV左右,是目前世界上人造物质中最硬的材料,比硬质合金及工程陶瓷的硬度高得多,由于聚晶金刚石硬度极高,并且各向同性,因而具有极佳的耐磨性。

(2) 摩擦系数低

聚晶金刚石与一些有色金属的摩擦系数比其它材料都低,约为硬质合金的1/2左右。低的摩擦系数不仅使变形和切削力降低,而且使切削时不产生积屑瘤,因而降低了加工表面粗糙度。

 (3) 导热率高

聚晶金刚石的导热率很高,比银、铜还要好,比一般硬质合金高得多,因此在切削过程中切削热容易散出,故切削温度较低。

(4) 加工精度高

由于聚晶金刚石刀具具有较低的热膨胀系数和很高的弹性模量,因而在切削过程中刀具不易变形,在切削力的作用下刀具能保持其原始参数,长期保持锋利,切削精度高。所以使用PCD刀具进行加工时,可以减小切削力和降低切削温度,提高刀具耐用度和切削率,获得良好的加工表面。

主要问题: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难,严重妨碍了它的推广应用。 

常用加工方法:电火花加工、激光加工、化学加工、超声加工。   

 理想加工方法:磨削或研磨加工。

 

                                                                  加工工艺介绍        

磨削加工

鉴于聚晶金刚石的高硬度和耐磨性,其磨削加工主要有金刚石砂轮磨削、放电磨削和电解磨削等方式,其中最简单、有效的磨削加工方式是金刚石砂轮磨削。在实际加工过程中,也可根据需求采用不同磨削方式组合加工。      

(1) 金刚石砂轮磨削      

金刚石砂轮磨削加工聚晶金刚石时,在砂轮和工件之间的接触压力和磨削力较大,要求磨削加工系统具有足够的刚度和高精度。近年来,许多国家都在研制和发展磨削加工聚晶金刚石(也包括聚晶立方氮化硼)的专用磨床和砂轮。如日本大阪金刚石工业公司研制的CPG系列高刚度金刚石工具精密磨床和CP系列高效专用金刚石砂轮       

(2) 聚晶金刚石的ELID镜面磨削      

在线电解修整砂轮(ELID)精密镜面磨削技术是日本理化学研究所大森整博士八十年代末期开发的超精密加工新技术。其基本原理是在磨削过程中,利用非线性电解修整作用和金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡,对砂轮进行连续修锐修整,使砂轮磨粒获得恒定的突出量,从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行加工,它适用于硬脆材料的精密镜面磨削。      

用金属结合剂的金刚石砂轮和ELID精密镜面磨削技术加工聚晶金刚石可以得到很好的效果,是一种聚晶金刚石精密加工的新途径,具有很大的推广价值和应用前景。     

(3) 电火花磨削        

电火花加工过程中脉冲发生器的特性非常重要,特别是加工PCD材料,PCD具有一定的导电率、好的导热率和很高的熔点,因此传统的电火花加工聚晶金刚石非常困难。        

电火花磨削PCD的蚀除机理包括:金刚石的气化、金刚石的氧化、金刚石向石墨和非晶碳的转化、电火花放电产生的抛出力作用、热应力在金刚石表面产生微裂纹以及金刚石晶粒的断裂破碎等。其中金刚石的石墨化在电火花抛光金刚石膜的过程中起关键作用,不仅起导电作用,维持放电通道的存在,使金刚石膜凸出尖峰顶部得以气化,而且金刚石的石墨化—氧化过程不断地进行,从而将金刚石蚀除。   

电火花加工和电火花磨削加工聚晶金刚石是高效低成本的加工方法,但是,它们不能有效地加工大面积的聚晶金刚石。     

研磨加工     

聚晶金刚石常用的研磨加工主要有三种方法:一种是使用树脂结合剂细粒度的金刚石砂轮进行精密研磨;另一种是使用淬火的高硬度钢盘(或玛瑙盘),并且不加任何磨料直接进行研磨加工;还有一种是使用高速旋转的铸铁盘,辅之以金刚石微粉进行研磨加工。研磨加工可作为聚晶金刚石的精抛工艺,是制造聚晶金刚石工具的重要一环。    

(1) 聚晶金刚石的金刚石砂轮研磨加工  

金刚石砂轮研磨加工聚晶金刚石与砂轮磨削加工类似,只是选择砂轮的型号不同,研磨一般选用浓度为50%- 70%,粒度为W40- W7的树脂结合剂的砂轮。采用金刚石砂轮研磨加工聚晶金刚石时,由于砂轮中金刚石磨粒对PCD材料的研磨实质上是两种硬度、性质相近的物体之间相互作用的过程,与传统的研磨过程具有本质的区别,所以PCD研磨机理、研磨工艺具有自身的特点。      

(2) 聚晶金刚石的高速钢盘研磨加工 

高速钢盘研磨加工聚晶金刚石,其基本原理是PCD工件在一定的压力下与高速旋转的高速钢盘之间发生摩擦,产生摩擦热,使滑动界面的温度升高,滑动界面(研磨面)上产生的高温,有利于PCD中滑动界面的金刚石晶粒产生氧化、石墨化、扩散、粘结以及热应力破碎等,从而达到研磨的目的。      

由金刚石的化学性质可知,一些金属元素能与其产生化学反应,促使其解体。如果研磨盘本身材料中含有上述金属元素成分,会促使研磨滑动界面的金刚石产生扩散、粘结、热蚀等作用,有助于提高研磨加工的效率。但研磨滑动界面的温度不宜过高,否则会影响研磨加工表面质量。       

(3) 聚晶金刚石的磨料研磨加工  

聚晶金刚石的磨料研磨加工是传统的加工方法之一,在磨料研磨加工过程中,晶粒的解理性脆断是研磨PCD过程中主要的去除方式之一;锋利的磨粒以很高的速度和适当的压力划过PCD,在金刚石晶粒表面产生大量的损伤性划痕,这些划痕可以分为塑性划痕和脆性划痕,这种方式也是PCD材料重要的机械去除方式。除此以外还有石墨化去除、热蚀去除、扩散去除、氧化去除等多种热化学去除方式,但热化学去除方式在研磨PCD材料去除中不占主要地位。磨料研磨加工精度较高,但效率极低。但当辅助以超声进行研磨时,效率会大大提高。

其他加工方法:      

(1) 电火花线切割

  电火花线切割机

  电火花线切割加工通过电极丝与工件之间局部区域的脉冲放电来实现工件材料的切割加工,它是PCD切割加工常用的方法之一。电火花线切割聚晶金刚石大多用来制作机加工刀具、地质钻头以及拉丝磨具,这些工件模具形状复杂、多变,用电火花线切割机床进行成形加工是目前经济可行的良好途径。        

(2) 激光加工        

激光加工聚晶金刚石的机理是:一束能量密度极高的激光束照射到聚晶金刚石表面上,部分光能即被表面吸收并转化成热能,照射斑点的局部区域温度迅速上升到上万度,使聚晶金刚石材料局部熔化甚至汽化并形成陷坑。与此同时也开始了热扩散,结果斑点周围材料也熔化。随着激光能量的继续吸收,陷坑中蒸汽膨胀,压力加大,熔融物以爆炸形式被高速喷射出来,喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向很强的冲击波。这样聚晶金刚石就在高温熔融汽化和冲击波的作用下蚀除部分物质,形成激光蚀坑。       

激光加工属非接触加工,在PCD材料加工中具有优异的特点,可加工高纯度的PCD材料(如多晶金刚石膜),加工变形及热变形均很小,而且激光加工速度快、效率高,是一种较为有效的加工方法。特别是在微孔加工和不导电的超硬材料加工方面更显示出其优越性。但还存在尺寸精度和重复精度难以控制,以及加工表面有微石墨化现象等问题,还需精修。目前只能用于粗加工或半精加工。激光加工材料时起决定作用的激光参数是脉冲宽度、最大脉冲功率及平均脉冲功率。  

(3) 化学加工        

聚晶金刚石的化学加工是根据金刚石可溶于熔融的钾硝石、钠硝石和磷酸钠这一特性,采用熔融硝盐对聚晶金刚石进行溶解,鉴于表面自由能分布状态及自由焓降低原理,可使聚晶金刚石表面逐渐由粗糙变光滑。同时由于氧化反应可在金刚石表面生成一种氧化膜,可通过研磨去除,再继续溶解。     

(4) 超声加工       

聚晶金刚石的超声波加工是采用金刚石微粉(1-50um)作游离磨粒进行加工,影响超声波加工PCD材料的因素主要有振动频率、振幅、金刚石微粉尺寸、PCD材质、单位压力、加工面积等。目前聚晶金刚石超声加工包括超声磨削和超声研磨加工等方式,多用于PCD内孔和PCD拉丝模具、喷砂模具的加工。超声磨削法的核心部件是轴向一面做超声振动,一面作高速回转的超声磨削装置。

 

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