摘　要：介紹了單晶金剛石刀具制造過程中金剛石選料與定向的原則及方法。
　　關鍵詞：單晶金剛石刀具　選料　定向
　　
　　Material Choice and Orientation of Single-crystal Diamond Cutters
　　
　　Zhang Jingmin et al
　　
　　Abstract: The principle and method of material choice and orientation of diamond in manufacturing single-crystal diamond cutters are introduced.
　　Keywords:single-crystal diamond cutter　material choice　orientation
　　
　　在金剛石刀具的制造過程中，第一個步驟是選料。根據(jù)不同的加工條件，選擇合適的金剛石原料，可以在保證刀具使用性能的前提下，避免因采用品級過高的原石而增加刀具制造成本。同時，對于用于超精密加工的高質量金剛石刀具，則可通過選料充分保證刀具性能要求。
　　單晶金剛石各向異性，在不同晶面及不同方向上性能差異很大。正確的定向不僅可簡化加工工藝，降低制造成本，還可使刀具壽命成倍（甚至幾十倍）地增加。
　　因此，制造單晶金剛石刀具時，科學合理地進行選料與定向，對于充分發(fā)揮金剛石刀具的優(yōu)異性能，提高加工質量與經濟效益具有重要意義。
　　
　　一、金剛石刀具的選料
　　
　　1．金剛石的分類
　　根據(jù)金剛石晶體中所含雜質的差異，金剛石主要可分為四類：
　　（1）Ⅰa型　絕大多數(shù)天然金剛石屬此類型，其含氮量在3000ppm左右，氮以聚集形式存在，在金剛石晶體中產生一個個點缺陷。
　　（2）Ⅰb型　天然金剛石中Ⅰb 型非常少，但幾乎所有人造金剛石均為Ⅰb 型，其含氮量為40～500ppm，氮以置換固溶體的形式存在，均勻分布于金剛石晶格中，使金剛石呈淡黃綠色。
　　（3）Ⅱa型　該類型只少量存在于天然金剛石中，其含氮量只有20ppm，是一種高純度金剛石。
　　（4）Ⅱb型　即半導體金剛石，其含氮量為20ppm，但含有足夠的硼而形成P型半導體。該類型極少見于天然金剛石，但可在人工合成金剛石時采用特殊的去氮加硼法獲得。
　　
　　2.選料原則
　　Ⅰa 型在天然金剛石中最為常見，絕大多數(shù)單晶金剛石刀具均采用這種材料。由于天然金剛石生成的自然條件各不相同，因此其質量的離散性很大。一般以晶體的顆粒大小（重量）、形狀、完整程度、透明度、裂紋和包裹體的多少、顏色及其均勻程度等為依據(jù)，將天然金剛石分為不同的類別與等級。我國按天然金剛石的用途將其分為寶石、拉絲模、刀具、砂輪刀、磨料用等9類，其中一些類別按其質量或使用要求的不同又可細分為若干級別（JC220-79）。
　　刀具用金剛石的質量要求為：晶體完整，形狀為十二面體、弧形八面體或過渡形晶體，晶體最小直徑不得小于4mm，顏色為無色、淺綠、黃、棕色等，不允許有裂紋，晶體表面允許有不大于0.5mm的包裹體和蝕坑，重量為0.7～3克拉。
　　隨著單晶金剛石刀具用途的日益擴展及制造技術的不斷提高，選擇原材料的實際范圍并不局限于上述標準。如采用先進的單晶金剛石釬焊技術，可以制成重量只有0.05克拉的金剛石刀具,從而對晶體尺寸的要求大為降低。對于精度要求較低的首飾刀具、活塞刀具、隱形眼鏡刀具及大部分民用產品刀具，只要求刀刃部分無裂紋、無雜質、無包裹，而對其形狀、顏色及刀頭尾部的質量等則無嚴格要求。從三級砂輪刀材料中也能選出適用的金剛石。同時還發(fā)現(xiàn)深褐色的金剛石具有更高的刀具壽命。
　　對于精度要求極高的超精加工用刀、眼科手術刀等，則需要從拉絲模Ⅰ級甚至寶石級原石中選料，并且還需采用偏光顯微鏡或更精密的儀器挑選出內應力小的金剛石作為原料。
　　近年來，用人工合成方法制造大顆粒單晶金剛石的技術得到突破，De Beers 公司和日本住友公司都制造出了大顆粒人造金剛石產品，其晶體長度達到13mm。人工合成的Ⅰb 型金剛石中的氮原子以單個置換金剛石晶體中碳原子的形式，均勻分布于金剛石晶格中，一方面減少了氮原子聚集在刀具刀刃上形成微小崩口的可能性，同時還使晶格產生均勻的畸變，提高了金剛石的硬度。對于專門用于制造刀具的人造金剛石產品，還對其內應力進行了優(yōu)化，使產品質量更為穩(wěn)定、可靠，離散性更小。對于一般用途的人造金剛石產品，基本不需要選料。由于原石在出廠時其晶軸方向已精確給定，所以不需要進行晶體定向。
　　美國Edge Technologies公司采用日本住友公司的人造金剛石(Sumicrystal)制造高精度反射鏡等光學零件的切削用刀，獲得了良好效果。采用De Beers公司的人造單晶(Monodite)制成的各種刀具的使用壽命較天然金剛石提高20%～200％。
　　Ⅰb型人造單晶的缺點是脆性較大，加工更為困難，需要采用精細的刃磨方法才能獲得合格的刀刃質量，且其價格比天然金剛石高。
　　
　　二、金剛石刀具的定向
　　
　　金剛石刀具的定向包含二方面的概念：（1）刀具定向：確定將刀具的前、后刀面放置于金剛石的哪個晶面上，從而獲得較高的使用性能和較長的刀具壽命；（2）晶體定向：對于一顆金剛石單晶，怎樣找正其晶軸方向，從而使刀具的刀面精確放置于設計的晶面上。
　　
　　1．刀具定向
　　刀具定向方案的確定與其在切削加工中的磨損機理有關。
　　早期的理論認為，金剛石刀具的磨損形式為碎裂和機械磨損，刀具定向多采用（110－110）方案，即將刀具的前刀面與后刀面同時放置于兩個互相垂直的（110）面上，此時前刀面切屑的流向、后刀面與已加工表面的摩擦方向都處在（110）面的最難磨方向上。由于（110）面的軟方向是整個晶體中最軟的方向，因此此方案的工藝性最好。
　　進一步的研究表明，金剛石刀具的磨損形式還應包括熱退化和腐蝕等化學磨損形式，且在某些情況下，化學磨損形式占主導地位。大量實驗結果還表明，（100）面較其它晶面具有更高的抗應力、腐蝕和熱退化能力。基于這些事實，（110－100）定向方案得以廣泛采用。此方案中刀具前刀面為（110）面，后刀面為（100）面，雖然前刀面與切屑的摩擦方向處在（110）面的最軟方向，但在磨損最劇烈的后刀面上，摩擦方向處在（100）的最難磨方向，在保持抗機械磨損能力的同時，提高了后刀面抗其它磨損的能力。這種定向方案的另一優(yōu)點是可以節(jié)約金剛石材料，因為金剛石原石一般在（110）面的〈100〉方向具有最大長度。
　　金剛石刀具的磨損是一個非常復雜的物理和化學過程，在不同條件下加工不同工件時，各種磨損形式所占的比例會發(fā)生變化，因此對金剛石刀具的定向應根據(jù)其在加工中的主要磨損形式來選擇合理的定向方案。
　　加工陶瓷、玻璃等硬脆材料或加工中因機器精度等原因導致振動較大時，刀具的磨損多以微小碎裂為主，因此刀具定向方案應使刀刃具有最高強度，可以選用（100－100）定向。
　　加工活塞等硅鋁合金工件時，由于材料中含有很多硅化合物硬質點，刀具機械磨損的比重較大，因此采用（110－110）定向能取得較好的加工效果。
　　加工一些復雜成份的非金屬材料時，化學磨損可能成為最主要的磨損形式，因此大多采用（110－100）甚至（100－100）定向方案。
　　定向方案的確定還需綜合考慮刀具制造的工藝性。（110）面的易磨方向比（100）面的易磨方向軟，所以（110）面具有更好的工藝性。而（111）面的任何方向均不易磨，一般應予避開。
　　
　　2．晶體定向
　　晶體定向的方法可分為采用儀器定向和人工目測定向。儀器定向的誤差可控制在1°以內，定向精度較高，但需要昂貴的設備且操作復雜。此外，究竟采用儀器定向的刀具比人工目測定向的刀具具有多大優(yōu)越性、壽命能提高多少，以及定向誤差超過多大時會使刀具性能明顯降低，有關這方面的研究文獻并不多見。目前一般的金剛石刀具制造廠家多采用人工目測定向。
　　人工目測定向是根據(jù)原石晶面的數(shù)目及相對位置來確定晶體的晶軸位置與方向。如對于八面體晶體，通過三對對稱頂點連接而成的三條相互垂直的直線即為晶體的X、Y、Z軸線。所以八面體的晶面為（111）面；垂直于軸線磨去其頂點得到的八個正方形為（100）面；與交成其棱邊的兩個面等角度地磨去棱邊，即得到（110）面。
　　十二面體晶體有六個由四條棱邊交成的頂點，通過對稱頂點的連線即為其晶軸。其十二個表面為（110）面；六個四條棱邊交成的頂點代表（100）面；八個三條棱邊交成的頂點代表（111）面。
　　人工目測晶體定向是一種快速易行、省工省時的定向方法，當遇到殘缺和不規(guī)則的晶體或加工后的刀具時，也可以根據(jù)金剛石各晶面及晶面上易磨與難磨方向之間的相互位置關系，通過一些局部、不連貫的晶向線索找到需要的晶面。