高品级金刚石大单晶的合成及应用

 

  伴随着科技的发展，人造的高等级金刚石大单晶，在特性上早已贴近或在一些这些方面超过了纯天然金刚石单晶。因为纯天然金刚石较为稀缺，故人造的金刚石单晶早已逐渐地替代纯天然金刚石被普遍使用于工业生产，高新科技，国防安全，医疗服务等行业。做为高等级金刚石大单晶，还具有其特有的主要用途，尤其是它还可以做为单晶金刚石数控刀片刀坯的推荐原材料。尤其是人造的高品质六面体金刚石大单晶与其他外貌的金刚石对比，在制做金刚石数控刀片时不但损坏损害少，易生产加工，且制做出的数控刀片特性优质，在钻削加工生产时不但刃口锐利，加工精度高，切削速度小，并且具备高韧性及较好的耐磨损性，抗腐蚀和有机化学稳定性能等特性，足可达到高精密及超高精密钻削生产加工对合金结构钢的规定，且使数控刀片的使用期限得到增加，可以长期的不断钻削，减少因数控刀片损坏对零件精密度的危害。

1　高等级金刚石大单晶的生成

  1.1　高等级金刚石的生成方式介绍

  现阶段，金刚石大单晶生成关键有两种方式，超高压高温法(HPHT)和有机化学液相堆积法(CVD)。CVD法生成单晶金刚石与金刚石多晶体膜分离技术上面有较大不一样，单晶金刚石生成必须应用有特别要求的高品质单晶金刚石做为基材，即此方式对应用的晶种有特别要求:其一，晶种务必为纯{100}面构成的单晶金刚石；其二，晶种务必具备一定的规格，正常情况下晶种有多大，才可以生长发育出很大的单晶。这就在一定水平上限定了其产业发展。

  超高压高温法(HPHT)生成金刚石大单晶的方式往往是温度场法，这也是1971年由英国GE公司科学研究工作组初次明确提出并综合利用的金刚石大单晶生成技术性。

  氮源处于内腔核心高溫处，晶种放到超低温处，由径向温差造成的温度场法，促进氧原子沿径向由低温端向超低温端蔓延。伴随着生成能力的持续提升，超高压高温温度场法生成金刚石单晶的规格和净重在持续扩大。现阶段，日本住友电工和原素六企业在HPHT生成大单晶金刚石技术性上有着当今社会最高水平。1970年，G.E.企业的科学研究团队运用温度场法(TGM)取得成功生长发育出高纯度高品质金刚石单晶(1carat)，但因为生长发育速率比较慢，以至价钱特别价格昂贵。1985年，日将高品质Ib型金刚石单晶的成长速率提升到4mg/h，完成了lcarat高品质Ib型金刚石单晶的商业化的生产制造。1990年，该企业用大晶种方式生长发育出9carats(12mm across)重的金刚石大单晶，生长发育速率提升到15mg/h。据报道，2011年7月，日本生物学家和住友电工协作取得成功炼制出直徑超出1公分的圆柱型金刚石。虽这般，但现如今生成的晶体大多数仍呈六八面体外貌，针对生成纯由{100}晶面组成的立方米六面体大单晶的报导或是屈指可数。

  1.2　高等级金刚石大单晶的生长发育区段

  依据金刚石生长发育V型区与金刚石外貌中间的关联，能够得出，由{111}和{100}面组成的六八面体单晶的生长发育地区相对性较宽，因而从生成加工工艺调节层面而言相对性较为非常容易；而纯由{100}面组成的六面体单晶的生长发育地区相对性较狭小，且保持相对性超低温区，而温度场法生长发育晶体时晶体难以避免有往高溫地区生长发育的发展趋势，因而单一六面体单晶生成较为艰难，溫度略微操纵不合理，就非常容易发生骸晶或是主要表现出高溫外貌。

  本科学研究在很多研究和合理性的调节技术的基本上，可以在短期内生成出高品质高等级的金刚石大单晶,从晶体外貌看，晶体处于超低温合适{100}面生长发育区，呈立方米六面体外貌，{100}面迅猛发展，基本上沒有{111}面的存有。

2　高等级六面体金刚石大单晶制做单晶金刚石数控刀片的优点

  2.1　单晶金刚石数控刀片的弧面生产加工原理

  单晶金刚石数控刀片是将经碾磨生产加工成一定几何图形形态和规格的大颗粒物金刚石单晶，用焊合，粘合式，机夹式或粉未冶金方式固定不动在镗刀或刀体上，随后装在精密机床上应用。这类数控刀片刀口极为锐利，具备与被生产加工材料摩擦阻力小，抗粘合性好，与非金属材料无感染力，线膨胀系数小及传热系数高特性，能够生产加工出非常高的产品工件精密度和非常低的外表粗糙度。故单晶金刚石数控刀片钻削也称镜面玻璃钻削。其关键用以铜及合金铜，铝及铝合金型材及其金，银，铑等贵重金属独特产品工件的超精密机械加工，如摄录机硬盘，电子光学平面镜，多方面镜，二次曲面镜等。人工合成单晶金刚石具备较优异的热导率和非常低的热应力，能达到生产制造高品质金刚石数控刀片最重要的指标值要求。

  超高压高温温度场法在金刚石生长发育V型区的超低温区生成的立方米六面体金刚石晶体从大吨数压力机一出來就具备生产制造数控刀片所具备的特殊外貌，由纯{100}面组成，因为金刚石晶体的每一个晶面上的分子相对密度不一样，分子的排序方式不一样，及其晶面中间间距的不一样，进而促进了金刚石晶体的各种各样，因此金刚石的各晶面不但主要表现出物理学物理性能不一样，其生产制造难度系数水平和使用期限也都不尽相同，各晶面的外部抗压强度亦有显著区别。当功效地应力同样时，{110}晶面的受伤几率较大，{111}晶面其次，{100}晶面造成损坏的机率最少。即在外力的作用下，{110}晶面容易损坏，{111}晶面其次，{100}晶面最不容易损坏。由此可见，{100}面的损坏度高过{111}面和{110}面。虽然{110}晶面的切削率高过{100}晶面，但试验结果显示，{100}晶面较别的晶面具备更好的抗压应力，浸蚀和热衰退工作能力。融合外部经济抗压强度综合性考虑到，用{100}面做数控刀片的前后左右刃口，非常容易修磨出高品质的数控刀片刀口，不容易造成外部崩刃。

  2.2　六面体金刚石大单晶制做金刚石数控刀片的优点

  人造的六面体单晶便是由纯{100}晶面组成的，略经打磨抛光和打磨生产加工，碾磨出刃边就可以应用，这与生成的六八面体金刚石单晶对比，在做单晶金刚石数控刀片层面就占据更高的优点。例如，净重同是17克拉上下的立方米六面体单晶和六八面体金刚石单晶，都可以生产加工为单晶金刚石数控刀片所具备的外貌。

  但六八面体外貌的单晶最少需通过三处打磨抛光生产加工后才具备数控刀片的特殊外貌，而六面体单晶仅需打磨抛光一处(生长发育面)后就可以立即制做数控刀片应用。在规格上，六面体单晶除薄厚有一定的降低外，长短和总宽基本上沒有转变，而六八面体单晶除开薄厚有一定的降低外，长短和总宽均降低了原本的1/3上下；相对应的在净重上17克拉上下的六八面体单晶降低近1/3上下，而六面体单晶只降低约1/5上下。由此可见，立方米六面体金刚石单晶是制做单晶金刚石数控刀片的推荐原材料。

  除此之外，六面体单晶本身较宽的规格范畴也为生产制造金刚石数控刀片给予了更多的挑选，例如，一个规格过大的高品质立方米六面体金刚石单晶，为生产制造金刚石数控刀片可切成所须要的长条形，板块，柱型等。

  2.3　单晶金刚石数控刀片在机械加工制造中的优点

  现阶段，在金刚石数控刀片领域销售市场上，常运用的刀具聚晶金刚石数控刀片，CVD金刚石数控刀片和单晶金刚石数控刀片。

  

  PCD数控刀片的耐磨性和刀口品质垂直居中，抗腐蚀最烂；CVD数控刀片的机械设备切削性，刀口品质和破裂韧性和耐磨性垂直居中，可电焊焊接性最烂；而人造单晶金刚石刀口品质，耐磨损性和抗腐蚀最好是。综合性各种各样特性得知，人造单晶金刚石数控刀片在高精密和超精密机械加工中拥有优良的特点，而且大单晶金刚石车床车刀相互配合精密加工数控车床早已完成最少生产加工外表粗糙度为Ra0.02μm的弧面生产加工。

3　单晶金刚石数控刀片的发展前途

  在金刚石数控刀片领域中运用较多的便是金刚石车刀。尤其是单晶金刚石车刀，单晶金刚石车刀面世至今，更促使金刚石数控刀片在钻削生产加工行业中迈上一个新的阶梯。伴随着科学技术和生产技术的发展趋势，促使金刚石数控刀片在生产加工品质，生产率和增加车刀使用期限层面，也持续在升级发展和转型发展。例如，过去旧式数控车床的特点及价钱相对来说较为划算，促使单晶金刚石合金铣刀十分普遍，但因为其有很大的触碰弧，每一次钻削时触碰弧都比较较长，进而造成的明显发烫对数控刀片的耐磨性能造成负面影响。伴随着社会的发展，大家对生产加工零件的需求进一步严苛，金刚石合金铣刀所要用的传输输出功率已无法达到钻削零件的规定，但这一输出功率的范畴尤其适用单晶金刚石面车刀生产加工，进而在这里一方面促进了金刚石面车刀的使用和发展趋势。

  因为单晶金刚石数控刀片镜面玻璃生产加工的独特特性，促使在加工行业具备关键影响力，广泛运用于例如反射镜片，巡航导弹和火箭队的导航栏陀螺图片，计算机硬盘硅片，网络加速器射线管等超高精密镜面玻璃零件的生产加工。单晶金刚石还可用以生产制造骨科，脑外科手术刀及纤薄微生物切成片刀等医疗数控刀片。除此之外，单晶金刚石数控刀片在民用产品生产加工中的运用也日趋普遍，从腕表零件，铝活塞杆，饰品等的生产到制刷，修容标识牌及稀有金属镜面玻璃装饰设计零件的生产加工，其运用已进到机械加工制造的许多行业，拥有普遍的应用市场前景。

                                                                                                              刘永奇

                                                                                                              郑州市华