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 型非常少，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，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（JC220-79）。
　　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。