单晶金刚石 的选料与定向

摘　要：介绍了单晶金刚石 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 　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 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 使用性能的前提下，避免因采用品级过高的原石而增加 制造成本。同时，对于用于超精密加工的高质量金刚石 ，则可通过选料充分保证 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 寿命成倍（甚至几十倍）地增加。 
　　因此，制造单晶金刚石 时，科学合理地进行选料与定向，对于充分发挥金刚石 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 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 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、 、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）。 
　　 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 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 ,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 、活塞 、隐形眼镜 及大部分民用产品 ，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 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，De Beers 公司和日本住友公司都制造出了大颗粒人造金刚石产品，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 刀刃上形成微小崩口的可能性，同时还使晶格产生均匀的畸变，提高了金刚石的硬度。对于专门用于制造 的人造金刚石产品，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Edge Technologies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De Beers公司的人造单晶(Monodite)制成的各种 的使用寿命较天然金刚石提高20%～200％。 
　　Ⅰb型人造单晶的缺点是脆性较大，加工更为困难，需要采用精细的刃磨方法才能获得合格的刀刃质量，且其价格比天然金刚石高。 

二、金刚石 的定向 

　　金刚石 的定向包含二方面的概念：（1） 定向：确定将 的前、后刀面放置于金刚石的哪个晶面上，从而获得较高的使用性能和较长的 寿命；（2）晶体定向：对于一颗金刚石单晶，怎样找正其晶轴方向，从而使 的刀面精确放置于设计的晶面上。 

1． 定向 
　　 定向方案的确定与其在切削加工中的磨损机理有关。 
　　早期的理论认为，金刚石 的磨损形式为碎裂和机械磨损， 定向多采用（110－110）方案，即将 的前刀面与后刀面同时放置于两个互相垂直的（110）面上，此时前刀面切屑的流向、后刀面与已加工表面的摩擦方向都处在（110）面的最难磨方向上。由于（110）面的软方向是整个晶体中最软的方向，因此此方案的工艺性最好。 
　　进一步的研究表明，金刚石 的磨损形式还应包括热退化和腐蚀等化学磨损形式，且在某些情况下，化学磨损形式占主导地位。大量实验结果还表明，（100）面较其它晶 有更高的抗应力、腐蚀和热退化能力。基于这些事实，（110－100）定向方案得以广泛采用。此方案中 前刀面为（110）面，后刀面为（100）面，虽然前刀面与切屑的摩擦方向处在（110）面的最软方向，但在磨损最剧烈的后刀面上，摩擦方向处在（100）的最难磨方向，在保持抗机械磨损能力的同时，提高了后刀面抗其它磨损的能力。这种定向方案的另一优点是可以节约金刚石材料，因为金刚石原石一般在（110）面的〈100〉方向具有最大长度。 
　　金刚石 的磨损是一个非常复杂的物理和化学过程，在不同条件下加工不同工件时，各种磨损形式所占的比例会发生变化，因此对金刚石 的定向应根据其在加工中的主要磨损形式来选择合理的定向方案。 
　　加工陶瓷、玻璃等硬脆材料或加工中因机器精度等原因导致振动较大时， 的磨损多以微小碎裂为主，因此 定向方案应使刀刃具有最高强度，可以选用（100－100）定向。 
　　加工活塞等硅铝合金工件时，由于材料中含有很多硅化合物硬质点， 机械磨损的比重较大，因此采用（110－110）定向能取得较好的加工效果。 
　　加工一些复杂成份的非金属材料时，化学磨损可能成为最主要的磨损形式，因此大多采用（110－100）甚至（100－100）定向方案。 
　　定向方案的确定还需综合考虑 制造的工艺性。（110）面的易磨方向比（100）面的易磨方向软，所以（110） 有更好的工艺性。而（111）面的任何方向均不易磨，一般应予避开。 

2．晶体定向 

　　晶体定向的方法可分为采用仪器定向和人工目测定向。仪器定向的误差可控制在1°以内，定向精度较高，但需要昂贵的设备且操作复杂。此外，究竟采用仪器定向的 比人工目测定向的 具有多大优越性、寿命能提高多少，以及定向误差超过多大时会使 性能明显降低，有关这方面的研究文献并不多见。目前一般的金刚石 制造厂家多采用人工目测定向。 
　　人工目测定向是根据原石晶面的数目及相对位置来确定晶体的晶轴位置与方向。如对于八面体晶体，通过三对对称顶点连接而成的三条相互垂直的直线即为晶体的X、Y、Z轴线。所以八面体的晶面为（111）面；垂直于轴线磨去其顶点得到的八个正方形为（100）面；与交成其棱边的两个面等角度地磨去棱边，即得到（110）面。 
　　十二面体晶体有六个由四条棱边交成的顶点，通过对称顶点的连线即为其晶轴。其十二个表面为（110）面；六个四条棱边交成的顶点代表（100）面；八个三条棱边交成的顶点代表（111）面。 
　　人工目测晶体定向是一种快速易行、省工省时的定向方法，当遇到残缺和不规则的晶体或加工后的 时，也可以根据金刚石各晶面及晶面上易磨与难磨方向之间的相互位置关系，通过一些局部、不连贯的晶向线索找到需要的晶面。