劉永奇

(鄭州華晶金剛石股份有限公司，河南 鄭州 450001)

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高品級金剛石大單晶的合成及應(yīng)用

劉永奇

(鄭州華晶金剛石股份有限公司，河南 鄭州 450001)

簡要敘述了高品級金剛石大單晶的合成方法及生長特性。分析了高品級金剛石大單晶的鏡面加工機理及在制作單晶金剛石刀具時所占的優(yōu)勢。并進一步闡述了單晶金剛石刀具的加工特性及在精密和超精密切削領(lǐng)域中所占的地位。

高溫高壓法(HPHT)；金剛石大單晶； 單晶金剛石刀具

0　引言

隨著科學技術(shù)的進步，人工合成的高品級金剛石大單晶，在性能上已經(jīng)接近或在某些這方面超越了天然金剛石單晶。由于天然金剛石比較稀少，故人工合成的金剛石單晶已經(jīng)逐步地代替天然金剛石被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科技、國防、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1,2]。作為高品級金剛石大單晶，還具備其獨特的用途，尤其是它可以作為單晶金剛石刀具刀坯的最佳選擇材料。特別是人工合成的優(yōu)質(zhì)六面體金剛石大單晶與其它形貌的金剛石相比，在制作金剛石刀具時不僅磨損損失少，易加工，且制作出的刀具性能優(yōu)良，在切削加工時不僅刀刃鋒利、加工精度高、切削力小，而且具有高硬度及良好的抗磨損性、抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性等特點，足可滿足精密及超精密切削加工對刀具材料的要求，且使刀具的使用壽命得以延長，能夠進行長時間的持續(xù)切削，減小因刀具磨損對零件精度的影響[3,4]。

1　高品級金剛石大單晶的合成

1.1高品級金剛石的合成方法簡介

目前，金剛石大單晶合成主要有兩條途徑，高溫高壓法(HPHT)和化學氣相沉積法(CVD)。CVD法合成單晶金剛石與金剛石多晶膜技術(shù)上有很大不同，單晶金剛石合成需要使用有特殊要求的優(yōu)質(zhì)單晶金剛石作為基板，即此方法對使用的晶種有特殊要求:其一，晶種必須為純{100}面組成的單晶金剛石；其二，晶種必須具有一定的尺寸，原則上晶種有多大，才能生長出多大的單晶。這就在一定程度上限制了其產(chǎn)業(yè)化。

高溫高壓法(HPHT)合成金剛石大單晶的方法實際上是溫度梯度法，這是1971年由美國GE公司研究小組首次提出并開發(fā)利用的金剛石大單晶合成技術(shù)。其金剛石大單晶的組裝如圖1所示。

圖1　溫度梯度法組裝示意圖Fig.1　Assembly schematic of temperature gradient method

碳源處在腔體中心高溫處，晶種放在低溫處，由軸向溫度差產(chǎn)生的溫度梯度法，促使碳原子沿軸向由高溫端向低溫端擴散。隨著合成技術(shù)的不斷提高，高溫高壓溫度梯度法合成金剛石單晶的尺寸和重量在不斷增大。目前，日本住友電工和元素六公司在HPHT合成大單晶金剛石技術(shù)上可以說代表了當今世界最高水準。1970年，G.E.公司的研究小組利用溫度梯度法(TGM)成功生長出高純優(yōu)質(zhì)金剛石單晶(1carat)[63,64]，但由于生長速度很慢，以致價格非常昂貴。1985年，日本的住友電氣公司將優(yōu)質(zhì)Ib型金剛石單晶的生長速度提高到4mg/h，實現(xiàn)了lcarat優(yōu)質(zhì)Ib型金剛石單晶的商業(yè)化生產(chǎn)。1990年，該公司用大晶種方法生長出9carats(12mm across)重的金剛石大單晶，生長速度提高到15mg/h[5，6]。據(jù)報道，2011年7月，日本科學家和住友電工合作成功合成出直徑超過1厘米的圓柱形金剛石。雖如此，但當今合成的晶體大都仍呈六八面體形貌，對于合成純由{100}晶面構(gòu)成的立方六面體大單晶的報道還是少之又少。

1.2高品級金剛石大單晶的生長區(qū)間

根據(jù)金剛石生長V型區(qū)與金剛石形貌之間的關(guān)系(圖2)，可以看出，由{111}和{100}面構(gòu)成的六八面體單晶的生長區(qū)域相對較寬，因此從合成工藝調(diào)整方面來說相對比較容易；而純由{100}面構(gòu)成的六面體單晶的生長區(qū)域相對較狹窄，且處于相對低溫區(qū)，而溫度梯度法生長晶體時晶體不可避免有往高溫區(qū)域生長的趨勢，因此單一六面體單晶合成比較困難，溫度稍微控制不當，就容易出現(xiàn)骸晶或者表現(xiàn)出高溫形貌，見圖3(a)(b)。

圖2　V型區(qū)內(nèi)溫度、壓力與金剛石形貌的關(guān)系Fig.2　Relationship between temperature, pressure and morphology of diamond in V type region

圖3　(a)低溫下生長出的骸晶晶體 (b)高溫下生長的六八面體形貌晶體Fig.3　(a) skeleton crystal grown under low temperature (b) hexoctahedron crystal grown under high temperature

本研究在大量實驗和合理的調(diào)整工藝的基礎(chǔ)上，能夠在短時間內(nèi)合成出優(yōu)質(zhì)高品級的金剛石大單晶[7,8],見圖4。從晶體形貌看，晶體處在低溫適合{100}面生長區(qū)，呈立方六面體形貌，{100}面高度發(fā)達，幾乎沒有{111}面的存在。

圖4　人工合成高品級金剛石大單晶Fig.4　High-quality synthetic diamond single crystal

2　高品級六面體金剛石大單晶制作單晶金剛石刀具的優(yōu)勢

2.1單晶金剛石刀具的鏡面加工機理

單晶金剛石刀具是將經(jīng)研磨加工成一定幾何形狀和尺寸的大顆粒金剛石單晶，用焊接式、粘接式、機夾式或粉末冶金方法固定在刀桿或刀體上，然后裝在精密機床上使用。這種刀具刃口極其鋒利，具有與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小，抗粘接性好，與非金屬無親和力，熱膨脹系數(shù)小及導熱系數(shù)高等特點，可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度。故單晶金剛石刀具切削也稱鏡面切削。其主要用于銅及銅合金、鋁及鋁合金以及金、銀、銠等貴金屬特殊工件的超精密加工，如錄像機磁盤、光學平面鏡、多面鏡、二次曲面鏡等[9-11]。人造單晶金剛石刀具材料具有較出色的導熱性和極低的內(nèi)應(yīng)力，能滿足制造高質(zhì)量金剛石刀具最重要的指標要求。

高溫高壓溫度梯度法在金剛石生長V型區(qū)的低溫區(qū)合成的立方六面體金剛石晶體從大噸位壓機一出來就具有制造刀具所具有的特定形貌，由純{100}面構(gòu)成，見圖4。由于金剛石晶體的每個晶面上的原子密度不同、原子的排列形式不同、以及晶面之間距離的不同，從而促使了金剛石晶體的各向異性，所以金剛石的各晶面不僅表現(xiàn)出物理機械性能不同，其制造難易程度和使用壽命也都各不相同，各晶面的微觀破損強度亦有明顯差別。當作用應(yīng)力相同時，{110}晶面的破損概率最大，{111}晶面次之，{100}晶面產(chǎn)生破損的概率最小。即在外力作用下，{110}晶面最易破損，{111}晶面次之，{100}晶面最不易破損?？梢?，{100}面的磨損度高于{111}面和{110}面。盡管{110}晶面的磨削率高于{100}晶面，但實驗結(jié)果表明，{100}晶面較其他晶面具有更高的抗應(yīng)力、腐蝕和熱退化能力。結(jié)合微觀強度綜合考慮，用{100}面做刀具的前后刀面，容易刃磨出高質(zhì)量的刀具刃口，不易產(chǎn)生微觀崩刃。

2.2六面體金剛石大單晶制作金剛石刀具的優(yōu)勢

人工合成的六面體單晶就是由純{100}晶面構(gòu)成的，略經(jīng)打磨和拋光加工，研磨出刃邊即可使用，這與合成的六八面體金剛石單晶相比，在做單晶金剛石刀具方面就占有更大的優(yōu)勢。比如，重量同為1克拉左右的立方六面體單晶和六八面體金剛石單晶，都可加工為單晶金剛石刀具所具有的形貌，見圖5a，5b。

圖5　單晶金剛石刀具形貌a、六八面體 b、立方六面體Fig.5　The morphology of monocrystalline diamond cutter a. hexoctahedron b. cubic hexahedral

但六八面體形貌的單晶至少需經(jīng)過三處打磨加工后才具有刀具的特定形貌，而六面體單晶僅需打磨一處(生長面)后就可以直接制作刀具使用。在尺寸上，六面體單晶除厚度有所減少外，長度和寬度幾乎沒有變化，而六八面體單晶除了厚度有所減少外，長度和寬度均減少了原來的1/3左右；相應(yīng)的在重量上1克拉左右的六八面體單晶減少近1/3左右，而六面體單晶只減少約1/5左右?？梢?，立方六面體金剛石單晶是制作單晶金剛石刀具的最佳選擇材料。

此外，六面體單晶自身較寬的尺寸范圍也為制造金剛石刀具提供了更多選擇，比如，一個尺寸較大的優(yōu)質(zhì)立方六面體金剛石單晶，為制造金剛石刀具可切割成所需要的長條狀，板狀，柱狀等。

2.3單晶金剛石刀具在機械加工中的優(yōu)勢

目前，在金剛石刀具行業(yè)市場上，常使用的刀具有聚晶金剛石刀具、CVD金剛石刀具和單晶金剛石刀具[12-14]，三者在使用性能上的對比如表1所示。

表1　聚晶金剛石刀具、CVD金剛石刀具和單晶金剛石刀具在使用性能上的對比

從表1中可以看出，PCD刀具的抗磨性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差；CVD刀具的機械磨削性、刃口質(zhì)量和斷裂韌度和抗磨性居中，可焊接性最差；而人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好。綜合各種性能可知，人工合成單晶金剛石刀具在精密和超精密加工中有著優(yōu)異的特性，并且大單晶金剛石車刀配合高精密車床已經(jīng)實現(xiàn)最低加工表面粗糙度Ra0.02μm的鏡面加工。

3　單晶金剛石刀具的發(fā)展前景

在金剛石刀具行業(yè)中應(yīng)用最多的就是金剛石車刀和銑刀。尤其是單晶金剛石車刀、單晶金剛石銑刀問世以來，更使得金剛石刀具在切削加工領(lǐng)域中邁上了一個新的臺階。隨著科技和制造技術(shù)的發(fā)展，使得金剛石刀具在加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和延長刀具使用壽命方面，也不斷在更新進步和轉(zhuǎn)型。比如，以往老式機床的特性及價格相對比較便宜，使得單晶金剛石立銑刀的實際應(yīng)用非常廣泛，但由于其有較大的接觸弧，每次切削時接觸弧都相對較長，從而引起的強烈發(fā)熱對刀具的耐用度產(chǎn)生不良影響。隨著科技的進步，人們對加工零件的要求進一步苛刻，金剛石立銑刀所需用的傳動功率已不能滿足切削零件的要求，但這個功率的范圍特別適用于單晶金剛石面銑刀進行加工，從而在這一方面推動了金剛石面銑刀的應(yīng)用和發(fā)展。

由于單晶金剛石刀具鏡面加工的特殊性能，使得在機械加工領(lǐng)域具有重要地位，廣泛應(yīng)用于諸如反射鏡、導彈和火箭的導航陀螺、計算機硬盤基片、加速器電子槍等超精密鏡面零件的加工。單晶金剛石還可用于制造眼科、腦外科手術(shù)刀及超薄生物切片刀等醫(yī)用刀具。此外，單晶金剛石刀具在民用產(chǎn)品加工中的應(yīng)用也日趨廣泛，從手表零件、鋁活塞、首飾等的加工到制筆、高光標牌及有色金屬鏡面裝飾零件的加工，其應(yīng)用已進入機械加工的多種領(lǐng)域，有著廣泛的運用前景。

[1]G.F.Zhang,B.Zhang,Z.H.Deng,Y.D.Tan. An experimental study on a novel diamond whisker wheel. Xiangtan University, Hunan, China. University of Connecticut, CT ,USA . Hunan University ,Hunan, China.

[2]Shun-Tong chen, Ming-Yi Tsai, Yun-cheng Lai ,Ching-Chang Liu .Development of a micro diamond girnding tool by compound process.Article history Accepted 6 October 2008.

[3]袁哲俊，王先逵. 精密和超精密加工技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，1999.

[4]張紹和.金剛石與金剛石工具[M]. 長沙：中南大學出版社，2005.

[5]Strong H M, Wentorf R H, Jr .The Growth of Large Diamond Crystals [J]. Naturw issenschaften, 1972, (59): 1-7.

[6]H. Sumiya, N. Toda, S. Satoh. High-Pressure synthesis of hige-purity diamond crystal [J].Diamond and Related Materials,1996, (5):1359-1365.

[7]陳奎，臧傳義，陳立學，等. 優(yōu)質(zhì)立方六面體金剛石大單晶的生長研究[J]. 人工晶體學報，2010，39(2)：324-327.

[8]ZANG Chuan-yi ,JIA Xiao-Peng, REN Guo-Zhong, etal. Dependence of Growing High-Quality Gem Diamonds on Growth Rates by Temperature Gradient Method [J]. Chin Phys Lett, 2004, 21(8): 1648-1650.

[9]馬家駿．金屬切削實用刀具技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002：64.

[10]張競敏，黃松筠．單晶金剛石刀具的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 中國科技大學，1999(33).

[11]周天劍，杜文浩．單晶金剛石刀具刃磨特點的研究[J].中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，2007(41).

[12]白清順，姚英學．聚晶金剛石(PCD)刀具發(fā)展綜述[J]．哈爾濱工業(yè)大學學報，2001(10).

[13]華紅艷，孫標，曹唯飛．PCD的磨削特點與PCD刀具的刃磨技術(shù)[J]．工具技術(shù)，2006，40(7)：65-67.

[14]宗文俊，李旦，王洪祥，等．金剛石刀具技術(shù)的發(fā)展狀況[J]．中國機械工程，2003，14(13)：1165-1169.

The Synthesis and Application of High-quality Large Diamond Single Crystal

LIU Yong-qi

(Zhengzhou Sino Crystal Diamond Co.,Ltd. Zhengzhou, Henan , China 450001)

The synthetic method and growth characteristic of high-quality large diamond single crystal has been briefly introduced in this article. The mirror processing mechanism of high-quality large diamond single crystal and its advantages for the manufacture of monocrystalline diamond cutters have been analyzed. Moreover, the processing characteristics of monocrystalline diamond cutter and its status in field of precision and ultra-precision cutting have been expounded.

High temperature and high pressure; large diamond single crystal; monocrystalline diamond cutter

2016-03-06

劉永奇(1977-)，男， 研究生學歷，工程師。2005年起就職于鄭州華晶金剛石股份有限公司，現(xiàn)任公司董事、總經(jīng)理。曾參與研制開發(fā)1個項目通過河南省科技廳技術(shù)鑒定，獲得科技成果證書。E-mail：liuyongqi1977@126.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0041-04

引文格式：劉永奇.高品級金剛石大單晶的合成及應(yīng)用[J].超硬材料工程，2016，28(3)：41-44.