一、金刚石复合片刀具的研究背景

金刚石作为自然界中最硬的物质被人类作为一种超硬刀具材料应用于切削加工领域已有数百年历史。但天然金刚石由于其矿藏存量稀少及其本身珍贵属性，在工业生产中并没有充分发挥出它的性能优势，瑞典和美国的研究人员在二十世纪五十年代分别合成出人造金刚石,以人造金刚石为代表的超硬材料为高性能切削工具的工业化大生产奠定了基础。人们在二十世纪七十年代采用由天然或人工合成的金刚石微粉在高温、高压下烧结合成了聚晶金刚石（PCD）。PCD切削刀具的应用是伴随着人类最重要的产业之一——汽车工业的发展而发展的。在汽车向低能耗、高性能的发展过程中,新型高性能活塞的出现对传统金属加工工具提出了挑战，这给PCD切削刀具提供了最早的应用领域。PCD切削刀具的使用范围也随着PCD刀具切削性能的研发工作不断深入以及PCD切削刀具制造技术水平的不断提高突破到了其他工业领域[1]。聚晶金刚石复合片在上个世纪八十年代由于世界范围内生产厂家大力推进而形成的产业化生产,使其得以在工业生产中逐步取代原本的硬质合金刀具从而得到广泛应用。烧结后的复合片由聚晶金刚石层和硬质合金基底组成。高硬度的聚晶金刚石层和良好韧性的硬质合金基底使PCD复合片成为目前最理想的刀具材料[2-3]。

二、金刚石复合片刀具的性能

PCD材料的硬度与单晶金刚石相比稍低,但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合,具有各向同性, 用作切削刀具时无需像单晶金刚石那样，刃磨时必须选用最佳的解理面作为前刀面，可以任意取向刃磨；同时,材料还具有良好的导电性及可焊接性，此外，对于工业生产来说它具有最大的优点即优良的性价比； PCD刀具的切削刃抗意外损坏能力较强,抗磨损能力也较强,可长时间保持锋利的切削刃,加工时采用很高的切削速度和较大的切深对PCD刀具来说问题不大。具体性能指标有以下几个方面：

1、极高的强度：它的硬度可以从HV7500达到HV9000，略微逊色于天然金刚石，但是和天然金刚石不同的是它的硬度在方向上和耐磨性一致，不需选向。金刚石复合片是硬度与韧性完美结合的复合材料，其复合抗弯强度可达1500Mpa，极高的强度归功于韧性较高的硬质合金支撑基底。

2、极高的耐磨性：金刚石复合片极高的耐磨性是由烧结在高韧性的硬质合金基体上的聚晶金刚石所提供的，聚晶金刚石层的耐磨性为硬质合金的60～80倍。这直接保证了其刀具极高的耐用性，可在切削硬度较高的非金属材料时不用顾忌对刀具造成大的损伤。

3、较小的磨擦系数：金刚石复合片的摩擦系数一般仅为0.1～0.3，这个摩擦系数只有硬质合金摩擦系数的1/3,较低的摩擦系数表现在加工工程中就是较低的切削力和较小的切削变形。这样用PCD刀具加工产品时，相对于使用硬质合金刀具加工产品可降低1/2～2/3的切削力和切削温度。

4、优良的的导热性：PCD导热系数为700W/mK,为硬质合金的9～15倍,相对于以优良导热性著称的PCBN和铜,金刚石复合片刀具的导热性也毫不逊色。因此在切削加工过程中造成的切削热很容易挥发散出, 可以显著降低切削区的温度，给对高温环境耐受程度不高的金刚石复合片更好的工作环境，同时可以减小切削刀具产生的热变形，提高刀具耐用度。

5、较低的热膨胀系数：PCD热膨胀系数仅相当于硬质合金的1/5,因此切削加工时,刀具因切削热而产生的热变形很小,这种特性保证了金刚石复合片刀具在切削加工过程中能够保持很高的加工精度，这一优越的特性对使得金刚石复合片刀具在精密加工中占有重要的地位。