1 概述
自1955年美國GE公司采用高溫高壓的方法獲得人造金剛石以來，引起全世界的關切，尤其是對缺乏天然金剛石礦藏的國家具有巨大的吸引力。1957年以高溫高壓的方法合成了立方氮化硼。(CBN)。這些人造材料大大地豐富了材料寶庫，特別有利于切削工具的發(fā)展。當時這些材料在機械加工領域的主要用途是作磨料。經(jīng)過20多年的努力，1977年GE公司又成功地開發(fā)了金剛石燒結體(PCD)和CBN燒結體(PCBN)，并制造成刀片，使人造超硬材料的用途進一步擴展，由磨削擴展到了切削。 
更可喜的是大顆粒的單晶金剛石和單晶CBN的合成，為取代天然金剛石創(chuàng)造了條件。據(jù)資料表明，當前已經(jīng)合成的人造單晶金剛石中，*大的竟重達34.2克拉，但是要實際應用尚有待進一步的研究、探索，而且現(xiàn)在的成本也昂貴。 
我國在人造金剛石方面的發(fā)展也十分迅速，據(jù)統(tǒng)計，1993年全世界的產(chǎn)量為9億克拉，而我國已達到2.1～2.3億克拉，居世界首位。這表明我國在這個領域的潛力相當大。這門技術的發(fā)展為推動超硬材料在我國的廣泛應用創(chuàng)造了前提。 
化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)技術的突破，對切削工具的發(fā)展來說是一次革命，先是涂復各種陶瓷材料，而今發(fā)展到了類金剛石膜、金剛石膜、和CBN膜的超硬材料的涂層。這種發(fā)展幾乎使所有切削工具相應地提高了表面硬度。而今氣相沉積技術依然在發(fā)展，就金剛石而言，已從薄膜向厚膜擴展，其沉積的速度由一般的每小時數(shù)微米發(fā)展到了*大每小時0.93mm。 
今天科技在飛速發(fā)展，新材料大量涌現(xiàn)，其中相當一部分是高合金鋼、高硅鋁合金、高強度的復合材料、這些都屬于難切削材料，如宇航工業(yè)常用的Inconel718鎳基合金即為一例。由于超硬材料的發(fā)展，便大大緩解了這些材料難加工的局面。 
當前，工業(yè)發(fā)達的國家已將這些新材料的研究成果迅速地應用到了制造行業(yè)，從而提高了生產(chǎn)率，特別是歐美和日本。我國雖然在這方面有了長足的進步，但是在提高和應用上存在著相當大的差距。面對21世紀的挑戰(zhàn)，人造金剛石、人造CBN等超硬材料必將發(fā)揮出巨大的作用，人們可以拭目以待。 
2 金剛石、超硬材料的特性與作用
天然單晶金剛石是世界上*硬的物質，所以作為磨料和切削工具，其性能是無與倫比的，以金剛石車刀為例，其刃口圓弧半徑可以刃磨到連掃描電子顯微鏡，SEM，也無法檢測，直到現(xiàn)在還沒有一種材料能取而代之，利用它來切削加工，往往可以直接獲得鏡面，當前被廣泛地應用于儀表、電子、光學等領域，成為不可缺少的切削工具的材料，但是因成本昂貴，刃磨需要高超的技藝，所以一直妨礙其廣泛的應用。 

超硬材料由于性能優(yōu)越，應用不斷地在擴大，已從金屬加工發(fā)展到了光學玻璃加工、石材加工、陶瓷加工、硬脆材料加工等傳統(tǒng)加工難進行的領域。
天然單晶金剛石，由于具有各向異性，因此各晶面的硬度相差甚大，在刀具刃磨時，擇其軟的一面作為研磨面，而將其硬的面作為前刀面或后刀面，這給研磨帶來了有利的條件，因其各向異性，所以在使用中，必須考慮到晶面的合理選擇，例如，硬度計的壓砧，在使用中，利用壓入或彈跳來衡量被測材料的硬度，但由于工作面的硬度不同，結果也各異，當然采用硬的面，有利于延長壽命，又如天然金剛石制造的拔絲模，由于孔的工作面由各晶面構成，因此硬度不一致，磨損便不均勻，同時會給線材的圓截面造成應力差異，硬度不勻，而影響使用，金剛石燒結體和厚膜金剛石，由于各向同性，在這類產(chǎn)品上運用就變得非常有利。
PCD、PCBN,因其晶粒不同，濃度不同，性能也就不同，必須合理選擇。
厚膜金剛石是純金剛石，其硬度接近天然金剛石，而PCD、PCDN是金剛石粉與結合劑混合在一起燒結而成，因此硬度受到結合劑的影響，其硬度不如前者。
眾所周知，金剛石與鐵系有親和力，只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000℃的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時存在，起到了互補的作用、可以覆蓋當前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工，對整個切削加工領域極為有利。
金剛石切削工具的高精度刃磨需要高超的技藝，為了獲得更高精度的切削刃口圓弧半徑，特別是精度小于0.05um以下的，對研磨機提出了相當嚴格的要求，必須有極高回轉精度的主軸軸系，老式研磨機已不適應，更多的開始采用空氣軸承作為支承，研磨盤必須能在機床上加以修平，使其端面跳動控制在0.5um以下。PCD和PCBN的刃磨相對而言比較容易，因為硬度相對比較低，用金剛石砂輪就能勝任，而厚膜金剛石則不同，其硬度接近天然金剛石，并且是各向同性的，所以刃磨比較困難。
近來，金剛石切削工具的刃磨已引起人們的關切，新的刃磨方案相繼提出，其中熱化學方法介紹頗多，如日本東京工業(yè)大學吉川昌范教授用加熱到800℃的鑄鐵盤來實施。在加速研磨的設想方面認為，研磨工作量的70%在粗研，所以可以用熱化學方法先去除大部分的留量，然后再精研，可大幅度提高金剛石刃磨的工效。
3 金剛石及超硬材料應用中的注意事項
天然單晶金剛石
在當前的超精密加工中，天然單晶金剛石的切削工具已是必不可少。它可獲得極為鋒利的切削刃，其刃口圓弧半徑可以達到連掃描電子顯微鏡(SEM)也無法檢測的程度。據(jù)日本大阪大學井川直哉教授介紹，*小可達2～4nm,這是當前的*高水平，是通過切削獲得的厚為1nm的切屑推算出來的。1986年日本專門成立了一個金剛石刀尖評價委員會，來解決刀尖的測量問題，直至今天仍然沒有很好解決，只是從0.05um提高到2～4nm。1992年東芝機械的淺井昭一也曾提出過利用掃描隧道顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡(AFM)進行檢測的建議，但是并沒有再報道過，我國華中理工大學精儀系在1996年報道了用AFM取得了進展，這是可喜的成就。
金剛石切削工具的刃磨，雖已有不小的成就。但仍然是以經(jīng)驗為主，依舊是一個有待解決的課題。金剛石切削工具的幾何參數(shù)也許是實踐不足，所以迄今還有待探索。一般其前角為0°，后角為5～6°，其端部有兩種，一是圓弧，另一為直°線，后者有時稱為修光刃，其長度根據(jù)被加工材料來選擇。圓弧車刀在切削過程中的調整比較簡單，而平刃的調整相對而言是很費時的。如果應用在高精度的曲面加工中，圓弧的刃磨要求就很嚴格，它精度的優(yōu)劣會復印在曲面上。據(jù)資料表明，日本大阪金剛石制作所在數(shù)年前就能達到R±0.05um,英國則更高，達到R±0.02um。
切削過程中，金剛石的導熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應。
金剛石燒結體(PCD)
PCD的出現(xiàn)，在許多方面代替了天然單晶金剛石。PCD與天然金剛石比較，價格便宜，且刃磨遠比天然金剛石方便，所以其應用、推廣特別迅速。在大量涌現(xiàn)的新材料中，大部分都是難加工材料，如高硅鋁合金，汽車發(fā)動機的活塞大量采用這種材料。一般，含硅量低于10%的鋁合金，用硬質合金切削工具即可，但含硅量超過10%,就只能借助PCD。當前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有的已達18%以上，所以非PCD莫屬。
但是，由于PCD的種類很多，有合理選擇的必要。其粒度、濃度等都會影響到硬度、耐磨性等性能。因此，在應用中也必須根據(jù)被加工材料的種類。硬度等特性來考慮合理的各種參數(shù)。由于其具有各向同性，耐磨性比較好，加工成拔絲模甚至優(yōu)于天然單晶金剛石。
PCD在國內外的生產(chǎn)已十分普及，但是質量有較大的差異，因此在價格上出入很大。國內曾用美國超細粒度的GE公司的刀片，在PneumoPreci～sion的SMG325超精密機床上做了切削試驗，曾達到接近鏡面的表面粗糙度。
立方氮化硼燒結體(PCBN)
PCBN是CBN顆粒與結合劑一起燒結而成，耐高溫，硬度僅次于金剛石，與黑色金屬無親和力。從發(fā)展的角度來看，許多新材料需用PCBN來加工。比如汽車變速箱的齒輪采用了PCBN的齒輪滾刀，不僅獲得高生產(chǎn)率，且明顯的提高了質量，加工面甚至變成了鏡面。據(jù)資料表明，PCBN滾切過的齒輪表面由于硼的滲入，硬度也變高。這是哈工大的實驗所證實的。由于PCBN耐高溫，在大氣和水蒸氣中，在900℃以下無任何變化且穩(wěn)定，甚至在1300℃時，和Fe、Ni、Co等也幾乎沒有反應，更不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質合金的硬度，因此，它不僅能切削淬火過的鋼零件或冷硬鑄鐵，而且能被廣泛應用于高速或超高速的切削工作上。
但是，PCBN不適于切削一般的鋼件，因此。選擇工具時必須注意。采購時必須考慮到其粒度、濃度。
PCBN的幾何形狀也有特殊性，一般切削刃需要倒棱成-30°或圓弧，以防護刀尖破損。
生產(chǎn)PCBN的廠商不少，國外主要的有美國的GE公司、日本的住友電氣(株)、DIJET(黛杰)、英國的DeBeers等，國內主要有成都工具研究所、貴州第六砂輪廠、桂林地質研究所等。
超硬材料涂層切削工具
CVD、PVD等技術的出現(xiàn)，是切削工具領域中的一次重大的革命。它的出現(xiàn)立即引起了機械制造領域的巨大反響，理想的切削工具應當是既有硬的表面，又有高的韌性，涂層技術便達到了這個目標。
*早的涂層材料都是陶瓷性質的物質，如TiN、TiC、Al23O等，近年來，涂層技術又有了很大的發(fā)展。超硬材料涂層正在得到全面應用，許多產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在市場上，但國內尚處在實驗階段，預計也會很快突破，超硬材料涂層的發(fā)展，使整個現(xiàn)有的切削工具的性能都明顯得到了提高，面對當前大量涌現(xiàn)的難加工材料，這些新發(fā)展的涂層技術將有巨大的適應能力，前景相當喜人。
超硬材料涂層的種類共有三大類，即類金剛石、金剛石和CBN。這些涂層材料均為純金剛石或純CBN,所以硬度與沉積的材料是相同的，和PCD與PCBN相比，因不含結合劑，所以硬度、耐磨性等均有較大的提高。
金剛石涂層和CBN涂層的性能與原材料是相同的，只是薄膜而已，使用時與陶瓷涂層

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