高品级金刚石大单晶的合成及应用

刘永奇

  郑

0　引言

  随着科学技术的进步，人工合成的高品级金刚石大单晶，在性能上已经接近或在某些这方面超越了天然金刚石单晶。由于天然金刚石比较稀少，故人工合成的金刚石单晶已经逐步地代替天然金刚石被广泛应用于工业、科技、国防、医疗卫生等领域。作为高品级金刚石大单晶，还具备其独特的用途，尤其是它可以作为单晶金刚石刀具刀坯的最佳选择材料。特别是人工合成的优质六面体金刚石大单晶与其它形貌的金刚石相比，在制作金刚石刀具时不仅磨损损失少，易加工，且制作出的刀具性能优良，在切削加工时不仅刀刃锋利、加工精度高、切削力小，而且具有高硬度及良好的抗磨损性、抗腐蚀性和化学稳定性等特点，足可满足精密及超精密切削加工对刀具材料的要求，且使刀具的使用寿命得以延长，能够进行长时间的持续切削，减小因刀具磨损对零件精度的影响。

1　高品级金刚石大单晶的合成

  1.1　高品级金刚石的合成方法简介

  目前，金刚石大单晶合成主要有两条途径，高温高压法(HPHT)和化学气相沉积法(CVD)。CVD法合成单晶金刚石与金刚石多晶膜技术上有很大不同，单晶金刚石合成需要使用有特殊要求的优质单晶金刚石作为基板，即此方法对使用的晶种有特殊要求:其一，晶种必须为纯{100}面组成的单晶金刚石；其二，晶种必须具有一定的尺寸，原则上晶种有多大，才能生长出多大的单晶。这就在一定程度上限制了其产业化。

  高温高压法(HPHT)合成金刚石大单晶的方法实际上是温度梯度法，这是1971年由美国GE公司研究小组首次提出并开发利用的金刚石大单晶合成技术。其金刚石大单晶的组装如图1所示。

  

  图1　温度梯度法组装示意图Fig.1　Assembly sche ** tic of temperature gra ** nt method

  碳源处在腔体中心高温处，晶种放在低温处，由轴向温度差产生的温度梯度法，促使碳原子沿轴向由高温端向低温端扩散。随着合成技术的不断提高，高温高压温度梯度法合成金刚石单晶的尺寸和重量在不断增大。目前，日本住友在HPHT合成大单晶金刚石技术上可以说代表了当今世界最高水准。1970年，G.E.公司的研究小组利用温度梯度法(TGM)成功生长出高纯优质金刚石单晶(1carat)，但由于生长速度很慢，以致价格非常昂贵。1985年，日将优质Ib型金刚石单晶的生长速度提高到4mg/h，实现了lcarat优质Ib型金刚石单晶的商业化生产。1990年，用大晶种方法生长出9carats(12mm across)重的金刚石大单晶，生长速度提高到15mg/h。据报道，2011年7月，日本科学家和住友电工合作成功合成出直径超过1厘米的圆柱形金刚石。虽如此，但当今合成的晶体大都仍呈六八面体形貌，对于合成纯由{100}晶面构成的立方六面体大单晶的报道还是少之又少。

  1.2　高品级金刚石大单晶的生长区间

  根据金刚石生长V型区与金刚石形貌之间的关系(图2)，可以看出，由{111}和{100}面构成的六八面体单晶的生长区域相对较宽，因此从合成工艺调整方面来说相对比较容易；而纯由{100}面构成的六面体单晶的生长区域相对较狭窄，且处于相对低温区，而温度梯度法生长晶体时晶体不可避免有往高温区域生长的趋势，因此单一六面体单晶合成比较困难，温度稍微控制不当，就容易出现骸晶或者表现出高温形貌，见图3(a)(b)。

  

  图2　V型区内温度、压力与金刚石形貌的关系Fig.2　Relationship between temperature, pressure and morphology of diamond in V type region

  

  图3　(a)低温下生长出的骸晶晶体 (b)高温下生长的六八面体形貌晶体Fig.3　(a) skeleton crystal grown under low temperature (b) hexoctahedron crystal grown under high temperature

  本研究在大量实验和合理的调整工艺的基础上，能够在短时间内合成出优质高品级的金刚石大单晶,见图4。从晶体形貌看，晶体处在低温适合{100}面生长区，呈立方六面体形貌，{100}面高度发达，几乎没有{111}面的存在。

  

  图4　人工合成高品级金刚石大单晶Fig.4　High-quality synthetic diamond single crystal

2　高品级六面体金刚石大单晶制作单晶金刚石刀具的优势

  2.1　单晶金刚石刀具的镜面加工机理

  单晶金刚石刀具是将经研磨加工成一定几何形状和尺寸的大颗粒金刚石单晶，用焊接式、粘接式、机夹式或粉末冶金方法固定在刀杆或刀体上，然后装在精密机床上使用。这种刀具刃口极其锋利，具有与被加工材料之间的摩擦系数小，抗粘接性好，与非金属无亲和力，热膨胀系数小及导热系数高等特点，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度。故单晶金刚石刀具切削也称镜面切削。其主要用于铜及铜合金、铝及铝合金以及金、银、铑等贵金属特殊工件的超精密加工，如录像机磁盘、光学平面镜、多面镜、二次曲面镜等。人造单晶金刚石刀具材料具有较出色的导热性和极低的内应力，能满足制造高质量金刚石刀具最重要的指标要求。

  高温高压温度梯度法在金刚石生长V型区的低温区合成的立方六面体金刚石晶体从大吨位压机一出来就具有制造刀具所具有的特定形貌，由纯{100}面构成，见图4。由于金刚石晶体的每个晶面上的原子密度不同、原子的排列形式不同、以及晶面之间距离的不同，从而促使了金刚石晶体的各向异性，所以金刚石的各晶面不仅表现出物理机械性能不同，其制造难易程度和使用寿命也都各不相同，各晶面的微观破损强度亦有明显差别。当作用应力相同时，{110}晶面的破损概率最大，{111}晶面次之，{100}晶面产生破损的概率最小。即在外力作用下，{110}晶面最易破损，{111}晶面次之，{100}晶面最不易破损。可见，{100}面的磨损度高于{111}面和{110}面。尽管{110}晶面的磨削率高于{100}晶面，但实验结果表明，{100}晶面较其他晶面具有更高的抗应力、腐蚀和热退化能力。结合微观强度综合考虑，用{100}面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高质量的刀具刃口，不易产生微观崩刃。

  2.2　六面体金刚石大单晶制作金刚石刀具的优势

  人工合成的六面体单晶就是由纯{100}晶面构成的，略经打磨和抛光加工，研磨出刃边即可使用，这与合成的六八面体金刚石单晶相比，在做单晶金刚石刀具方面就占有更大的优势。比如，重量同为1克拉左右的立方六面体单晶和六八面体金刚石单晶，都可加工为单晶金刚石刀具所具有的形貌，见图5a，5b。

  

  图5　单晶金刚石刀具形貌a、六八面体 b、立方六面体Fig.5　The morphology of monocrystalline diamond cutter a. hexoctahedron b. cubic hexahedral

  但六八面体形貌的单晶至少需经过三处打磨加工后才具有刀具的特定形貌，而六面体单晶仅需打磨一处(生长面)后就可以直接制作刀具使用。在尺寸上，六面体单晶除厚度有所减少外，长度和宽度几乎没有变化，而六八面体单晶除了厚度有所减少外，长度和宽度均减少了原来的1/3左右；相应的在重量上1克拉左右的六八面体单晶减少近1/3左右，而六面体单晶只减少约1/5左右。可见，立方六面体金刚石单晶是制作单晶金刚石刀具的最佳选择材料。

  此外，六面体单晶自身较宽的尺寸范围也为制造金刚石刀具提供了更多选择，比如，一个尺寸较大的优质立方六面体金刚石单晶，为制造金刚石刀具可切割成所需要的长条状，板状，柱状等。

  2.3　单晶金刚石刀具在机械加工中的优势

  目前，在金刚石刀具行业市场上，常使用的刀具有聚晶金刚石刀具、CVD金刚石刀具和单晶金刚石刀具，三者在使用性能上的对比如表1所示。

  表1　聚晶金刚石刀具、CVD金刚石刀具和单晶金刚石刀具在使用性能上的对比

  Table 1　Comparison of the service perfor ** nce of polycrystalline diamond cutter,CVD diamond cutter and monocrystalline diamond cutter

  

  从表1中可以看出，PCD刀具的抗磨性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差；CVD刀具的机械磨削性、刃口质量和断裂韧度和抗磨性居中，可焊接性最差；而人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好。综合各种性能可知，人工合成单晶金刚石刀具在精密和超精密加工中有着优异的特性，并且大单晶金刚石车刀配合高精密车床已经实现最低加工表面粗糙度Ra0.02μm的镜面加工。

3　单晶金刚石刀具的发展前景

  在金刚石刀具行业中应用最多的就是金刚石车刀和铣刀。尤其是单晶金刚石车刀、单晶金刚石铣刀问世以来，更使得金刚石刀具在切削加工领域中迈上了一个新的台阶。随着科技和制造技术的发展，使得金刚石刀具在加工质量、生产效率和延长刀具使用寿命方面，也不断在更新进步和转型。比如，以往老式机床的特性及价格相对比较便宜，使得单晶金刚石立铣刀的实际应用非常广泛，但由于其有较大的接触弧，每次切削时接触弧都相对较长，从而引起的强烈发热对刀具的耐用度产生不良影响。随着科技的进步，人们对加工零件的要求进一步苛刻，金刚石立铣刀所需用的传动功率已不能满足切削零件的要求，但这个功率的范围特别适用于单晶金刚石面铣刀进行加工，从而在这一方面推动了金刚石面铣刀的应用和发展。

  由于单晶金刚石刀具镜面加工的特殊性能，使得在机械加工领域具有重要地位，广泛应用于诸如反射镜、导弹和火箭的导航陀螺、计算机硬盘基片、加速器电子枪等超精密镜面零件的加工。单晶金刚石还可用于制造眼科、脑外科手术刀及超薄生物切片刀等医用刀具。此外，单晶金刚石刀具在民用产品加工中的应用也日趋广泛，从手表零件、铝活塞、首饰等的加工到制笔、高光标牌及有色金属镜面装饰零件的加工，其应用已进入机械加工的多种领域，有着广泛的运用前景。