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单晶金刚石刀具的选料与定向

摘 要：介绍了单晶金刚石刀具制造过程中金刚石选料与定向的原则及方法。

关键词：单晶金刚石刀具 选料 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

在金刚石刀具的制造过程中，第一个步骤是选料。根据不同的加工条件，选择合适的金刚石原料，可以在保证刀具使用性能的前提下，避免因采用品级过高的原石而增加刀具制造成本。同时，对于用于超精密加工的高质量金刚石刀具，则可通过选料充分保证刀具性能要求。

单晶金刚石各向异性，在不同晶面及不同方向上性能差异很大。正确的定向不仅可简化加工工艺，降低制造成本，还可使刀具寿命成倍（甚至几十倍）地增加。

因此，制造单晶金刚石刀具时，科学合理地进行选料与定向，对于充分发挥金刚石刀具的优异性能，提高加工质量与经济效益具有重要意义。

一、金刚石刀具的选料

1．金刚石的分类

根据金刚石晶体中所含杂质的差异，金刚石主要可分为四类：

（1）Ⅰa型绝大多数天然金刚石属此类型，其含氮量在3000ppm左右，氮以聚集形式存在，在金刚石晶体中产生一个个点缺陷。

（2）Ⅰb型天然金刚石中Ⅰb型非常清粉机少，圆锯片但几乎所有人造金刚石均为Ⅰb型，其含氮量为40～500ppm，氮以置换固溶体的形式存在，均匀分布于金刚石晶格中，使金刚石呈淡黄绿色。

（3）Ⅱa型该类型只少量存在于天然金刚石中香精香料，其含氮量只有20ppm，是一种高纯度金刚石。

（4）Ⅱb型即半导体金刚石，其含氮量为20ppm，但含有足够的硼而形成P型半导体。该类型极少见于天然金刚石，但可在人工合成金刚石时采用特殊的去氮加硼法获得。

2.选料原则

Ⅰa型在天然金刚石中最为常见，绝大多数单晶金刚石刀具均采用这种材料。由于天然金刚石生成的自然条件各不相同，因此其质量的离散性很大。一般以晶体的颗粒大小（重量）、形状、完整程度、透明度、裂纹和包裹体的多少、颜色及其均匀程度等为依据，将天然金刚石分为不同的类别与等级。我国按天然金刚石的用途将其分为宝石、拉丝模、刀具、砂轮刀、磨料用等9类，其中一些类别按其质量或使用要求的不同又可细分为若干级别（JC）。

刀具用金刚石的质量要求为：晶体完整，形状为十二面体、弧形八面体或过渡形晶体，晶体最小直径不得小于4mm，颜色为无色、浅绿、黄、棕色等，不允许有裂纹，晶体表面允许有不大于0.5mm的包裹体和蚀坑，重量为0.7～3克拉。

随着单晶金刚石刀具用途的日益扩展及制造技术的不断提高，选择原材料的实际范围并不局限于上述标准。如采用先进的单晶金刚石钎焊技术，可以制成重量只有0.05克拉的金刚石刀具,从而对晶体尺寸的要求大为降低。对于精度要求较低的首饰刀具、活塞刀具、隐形眼镜刀具及大部分民用产品刀具，只要求刀刃部分无裂纹、无杂质、无包裹，而对其形状、颜色及刀头尾部的质量等则无严格要求。从三级砂轮刀材料中也能选出适用的金刚石。同时还发现深褐色的金刚石具有更高的刀具寿命。

对于精度要求极高的超精加工用刀、眼科手术刀等，则需要从拉丝模Ⅰ级甚至宝石级原石中选料，并且还需采用偏光显微镜或更精密的仪器挑选出内应力小的金刚石作为原料。

近年来，用人工合成方法制造大颗粒单晶金刚石的技术得到突破，DeBeers公司和其中3例患者死于原病发日本住友公司都制造出了大颗粒人连裤袜造金刚石产品，其晶体长度达到13mm。人工合成的Ⅰb型金刚石中的氮原子以单个置换金刚石晶体中碳原子的形式，均匀分布于金刚石晶格中，一方面减少了氮原子聚集在刀具刀刃上形成微小崩口的可能性，同时还使晶格产生均匀的畸大家不断呼唤能有1种绿色环保的替换品走进我们的生活变，提高了金刚石的硬度。对于专门用于制造刀具的人造得到材料特性：模型实验的全部室内温度基本保持在2025e金刚石产品，还对其内应力进行了优化，使产品质量更为稳定、可靠，离散性更小。对于一般用途的人造金刚石产品，基本不需要选料。由于原石在出厂时其晶轴方向已精确给定，所以不需要进行晶体定向。

美国EdgeTechnologies公司采用日本住友公司的人造金刚石(Sumicrystal)制造高精度反射镜等光学零件的切削用刀，获得了良好效果。采用DeBeers公司的人造单晶(Monodite)制成的各种刀具的使用寿命较天然金刚石提高20%～

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