元素六 | 利用PCD刀具加工脆性材料以及激光技术

秦景霞

元素六中国区技术应用

Element Six 隶属于“钻石很久远，一颗永流传”大名鼎鼎De Beers 集团公司，主要负责设计、开发和生产合成金刚石和其他超级材料，在全球运营，并在中国、德国、爱尔兰、南非、英国和美国等地设有生产基地。

Element Six HPHT 超级材料解决方案在工业中的应用包括切割、研磨、钻孔、剪切和抛光等，广泛用于汽车及消费品电子、采矿与道路组件以及石油天然气勘探等领域。Element Six 人工合成CVD金刚石广泛用于热管理，声学，光学、水处理、半导体和传感器，量子计算等领域。

《利用PCD刀具加工脆性材料以及激光技术》

一、 目前合成金刚石主要有2种方法：

（一）高温高压法（HPHT）

这种方法模拟了金刚石自然形成的条件
· 高压是由于液压压力集中在一个小面积上而产生的
· 在如此高的温度和压力下，碳原子溶解在铁、钴或镍等熔融金属中，然后转化成微米大小的人造金刚石
· 这些材料可以通过高温高压烧结成一种叫做PCD的复合材料，这种复合材料广泛应用于各种工业应用，如机械加工、切割和石油天然气钻探

(二) 化学气相沉积(CVD)

· 微波能用于产生高温等离子体的氢气和甲烷
· 合成金刚石层从碳氢化合物等离子体沉淀到冷却的基底上
高纯度金刚石、大面积晶圆沉积、掺杂金刚石

金刚石，作为新材料的代表，众多亮点于一身，引领着信息时代的发展，在环保医疗、功能器件、量子领域、光学窗口等多个高新技术领域都有巨大的应用潜力。

二、脆性材料加工

在用户现有设备基础上，集PCD优异材料特性，科学的槽型设计，精密的激光制作集于一体，为硬脆性材料高效精密加工提供了可靠的解决方案。主要加工以陶瓷、玻璃、蓝宝石等为代表的硬度高、脆性大的材料。可实现在材料塑形域加工 ， 具有加工效率高，切削力小、刀具寿命长、加工表面质量高、残余应力小，可避免亚表面损伤等优点。

三、利用激光制作的PCD刀具

四、试验验证及案例分析

提问

Qustions

&

解答

Answers

问题一：加工PCD，用什么激光合适？

针对PCD加工，目前主要使用1064nm波长的IR红外激光， 532nm波长的绿光，纳秒脉冲激光（飞秒脉冲激光会越来越普遍，伴随着对激光成本的控制）

问题二：加工PCD用哪种波长的合适？

选用激光烧蚀的方式去除材料，需要将激光波长和材料吸收波长匹配以获得最佳去除率。但是，这种最佳吸收波长的短波激光造价太高， 综合考虑，一般采用较容易获得的1064nm波长的IR红外激光，532nm波长的绿光。

问题三：hpht与cvd，在切削应用中的选择有什么需要注意的？

首先这两种技术可以生产四种产品类别的金刚石材料：HPHT 单晶，HPHT聚晶，CVD单晶，CVD聚晶，这些材料因其不同的材料特性和尺寸形式，从用途来说就有很大差异。

单晶金刚石：有晶面取向，适合超精密加工（纳米级公差）

HPHT杂质含量高（N&催化剂，位错多），硬度较CVD单晶稍低，韧性低，适合金工，木工，修整，拉丝，贵金属加工等，可用边长达10mm

CVD杂质含量低（N少量，位错低），硬度高，韧性好，导热率极高， 适合贵金属加工/精密车削，可用边长达4mm

聚晶金刚石：无晶面取向，适合精密加工（微米级公差）

HPHT,含结合剂钴，硬度，导热性较CVD聚晶低，韧性好，用途最为广泛，金工，木工；CVD杂质含量低，有向生长型，一般用于热管理和光学应用，也可用于金工，木工和修整。

问题四：什么时候讲一下PCBN？

如果有需要，后面可以安排。

问题五：有适用于蓝宝石抛光的pcd型号推荐吗？

蓝宝石和玻璃一样也是先磨削再抛光。目前也是主要用砂轮磨削。PCD可以替代。但是刀具设计和玻璃有所不同，这个要具体验证。原理上和PCD加工玻璃一样，要看工件特征和对表面质量的要求。

问题六：CMX850的金刚石含量是80%多，这个含量是质量百分比还是体积百分比

体积百分比

问题七：生产培育钻石也会有高温高压法和CVD法，和制备刀具的有什么区别

首先LGD-合成钻石都是单晶，而刀具材料既有单晶也有聚晶。

另外，因为两种用途的关注点不一样，所以对产品特性要求不一样，具体的工艺会有区别。

例如：HPHT(高温高压法)Mono单晶金刚石（一般黄色），可用于切割修整工具，拉丝模模芯等，要求硬度和一定的韧性

HPHT-LGD, 对颜色，净度，大小有要求，所以从工艺上会有区别，比如增加一个先把石墨转为钻石粉的步骤（利于获得大尺寸钻石），增加氮吸收剂（利于去除黄色），后期也可能会有热/压/辐照等处理步骤。

但是不管是用作珠宝钻石还是工具，所使用的HPHT,CVD基本原理都是一样的。

问题八：CVD的焊接性能怎样啊

焊接性能或者说焊接强度取决于：焊料，基材，焊接工艺，参数

一般来说，CVD适合的焊接条件：Ag-Cu活性焊料，真空焊/氩气保护焊， 温度要高于850℃已利于形成TiC的结合层，单晶CVD 比聚晶CVD更耐高温。

问题九：Cvd用激光加工好还是磨的好

激光用于去除较大的CVD余量，其余的则倾向于磨削，但随着激光烧蚀技术的发展，这种情况可能会改变

问题十：CVD金刚石做刀具材料,如何加工

激光和磨削，激光介绍很多了，这里简单说一下磨削需要注意的点。

和HPHT类似，CVD金刚石分也分聚晶和单晶两种。聚晶金刚石各向同性比较好加工，而单晶金刚石属于各向异性，在磨削时有易加工面和难加工面之分(激光烧蚀没有区别)

所以磨削是要区分100/110/111 面，一般选用金属结合剂砂轮。

问题十一：粗粒度与中粒度在铣削玻璃时，寿命有明显区别吗？是不是粗粒度302的更好？刀具的刃型检测主要用什么类型的显微镜

CTM302的寿命更好，但是韧性不好，在切削力不稳定或者太大的情况下，容易崩刃影响刀具寿命。CMX850的表面效果是最好，但是寿命在相同工况下不如CTM302。目前还测试过5um的Planar，表面效果和刀具寿命比较合适。10um的CTB010综合性能可能会更好，有待验证测试。

刀具刃型检测使用专用刀具检测仪，例如Zoller

问题十二：现在国内有可以加工PCD刀具的激光设备厂家吗

牧激

问题十三：老师后面要不要也把聚晶这块讲了呢

如果有需要， 没问题。

问题十四：刚才讲的脆性材料可以用MCD加工吗？

可以，但是成本不受控。

问题十五：如何加工材料：铝基碳化硅 含硅量60%？

金刚石很适合这种MMC（金属基辅材）的加工，和其他材料相比寿命可达几十倍的提升。我们在课程中讲的三种不同制造方法的刀具磨损对比时，用的工件材料就是AMC225CA（40%SiC）。

因为大量SiC的存在，这种材料很硬，所以相应的刀具材料越硬越好（尤其是车削加工）。

车削时按照刀具Vb磨损速度：MCC单晶<PC.CVD聚晶CVD<PCD(CTM302) 聚晶HPHT<PCD(CMX850) 聚晶HPHT

钻削，铣削选择粗颗粒PCD(CTM302)，若发生甭刃，可调整为中等粒度CTB010。