金刚石刀具，为何稳坐精密加工“一把刀”的位置？

金刚石因其具有极高的硬度、耐磨性、高热导率和与有色金属的亲和性低，被用于超精密加工刀具的制造。

面对飞速发展的制造业，金刚石刀具为何能长期占据精密加工“一把刀”的关键位置？金刚石的高硬度是一个基础条件，关键在于金刚石能不断淬炼自身。通过淬炼，不断完善刀具种类、应用场景，还善于延长使用寿命，深入微观世界探索提升切削性能的技术。

单晶金刚石工具曾广泛用于铝、铜、黄金等有色金属加工，刀具寿命可达数千公里。近年，其在坚守有色金属加工应用的基础上，逐步向硬脆材料（如光学玻璃、硅、碳化硅）及铁类材料（铁、锰、铬等）加工延伸。但刀具磨损快的短板，制约了超精密加工在难加工材料领域的应用。

相较于高温高压（HPHT）金刚石刀具，化学气相沉积（CVD）金刚石涂层刀具展现出更为显著的性能优势。主要优点包括CVD能够控制涂层沉积速率，并在复杂形状上实现均匀涂层。CVD 金刚石涂层刀具具备超高硬度、优异的耐磨性与极强的化学稳定性，这使得它在加工铝、硅合金、金属基复合材料、石墨等传统刀具难以应对的难加工材料时，能发挥不可替代的作用，大幅提升加工效率与质量。

涂层材料作为化学屏障和热屏障，避免了刀具与工件之间的直接接触，减少了刀具和工件之间的摩擦和相互作用，提升刀具的抗氧化性能、抗粘结性能和抗磨粒磨损性能，从而延长刀具服役寿命、改善刀具切削性能。

依托掺硼金刚石的卓越性能，掺硼纳米聚晶金刚石（NPD）刀具的研发已成为金刚石刀具领域的开创性方向。掺硼NPD刀具在切割非导电陶瓷和金属时表现出优异的耐磨性。光学玻璃材料，凸显了其在加工硬脆材料方面的巨大潜力。

CVD 金刚石涂层刀具的发展仍面临亟待突破的关键难题，其中提升金刚石镀层与刀具基体的附着力是核心障碍。现有研究为解决这一问题提供了重要思路：硼元素与基体中的钴元素可在涂层与基体的界面处形成稳定物相，进而缓解金刚石涂层内部的残余应力，为增强涂层与基体的粘结强度指明了方向。同时需注意的是，掺硼金刚石刀具的制造流程相对复杂，对硼元素的掺入浓度、涂层的均匀性以及镀层与基体的附着力等关键指标，均需进行极为严格的工艺控制，这也成为制约其规模化应用的重要因素。

此外，通过表面涂层技术在刀具表面涂覆具有较低摩擦因数的(软涂层)固体润滑材料(如 C、MoS2、WS2、CaF2等)。在切削过程中，固体润滑膜会从刀具表面转移到工件表面并形成转移膜，使摩擦发生在转移膜与润滑膜之间，从而有效减小摩擦、阻止粘接、降低切削温度和切削力，最终达到减轻刀具磨损和防止积屑瘤产生的目的。

为了更好地解决难加工材料难加工的问题，研究人员采用不同的可行方法增强金刚石刀具的性能，在表面涂层技术基础上研究了表面织构技术以及二者的结合技术微纳织构涂层技术。

通过表面织构技术在刀具表面制备不同类型的微纳织构，可以改善刀具-切屑接触面和刀具-工件接触面的摩擦学行为，提升刀具的抗粘附磨损性能，降低刀具的切削力、切削温度及刀具-切屑接触界面的摩擦因数，从而增强刀具的切削能力，延长刀具服役寿命。

通过两种刀具表面改性技术均可改善刀具表面的热、力学性能，进而强化切削效果。田初春等研究表明，通过表面织构技术和表面涂层技术在刀具切削表面置入微纳织构和涂层可以显著改善切削性能；特别是在减小刀具磨损、降低切削力、切削温度以及刀-屑接触界面摩擦因数等方面具有显著效果。

单晶金刚石是一种非常昂贵的材料，通常价格大约是多晶金刚石刀具（PCD）的四倍。廉价的PCD工具具有优异的性能，如超硬度（8000HV≈78.4GPa）、高耐磨性和优异的热导率（560·W/m·K）。PCD是一种复合材料，通过将选定的微米级金刚石晶体与少量金属粉末（Co）混合，然后在高温（1400℃）和高压（6Gpa）下烧结而成。

由于PCD韧性有限，大多数工业PCD工具使用硬质合金作为基材。PCD工具含有Co和其他金属粘结剂，这增强了它们的断裂韧性。然而，Co影响PCD本身的硬度。此外，Co在高温下加速金刚石向石墨的转化。因此，PCD工具非常适合半精加工和具有高断裂韧性的工具要求。