金剛石具有很多優(yōu)異的物理力學(xué)性能，如超高硬度、強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性等。所謂工程應(yīng)用就是將這些機(jī)械性能充分開發(fā)出來應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的舉措。CVD金剛石膜具有和單晶金剛石幾乎相似的物理化學(xué)性能，且制作工藝相對簡單，應(yīng)用CVD金剛石涂層技術(shù)將金剛石膜沉積于部件基體表面，使其具有類似金剛石的性能，是一項(xiàng)非常具有前景的工程應(yīng)用項(xiàng)目。

1、整體式刀具

隨著現(xiàn)代機(jī)械加工朝著高精、高速、高效的方向發(fā)展，對刀具性能提出了相當(dāng)高的要求。因此，開發(fā)出耐磨性更高、能長時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定機(jī)械切削加工的超硬材料刀具是發(fā)展的必然趨勢。

一方面由于天然金剛石資源極為有限，且價(jià)格昂貴；另一方面由于單晶金剛石具有解理面，沖擊韌性較低，限制了其在工業(yè)中的大規(guī)模推廣使用。采用高溫高壓法燒結(jié)的聚晶金剛石(PCD)刀具材料雖然具有各向同性從而解決了單晶金剛石沖擊韌性較低的問題，但由于含有5%左右的粘結(jié)劑成分，導(dǎo)致刀具使用壽命和表面加工質(zhì)量遠(yuǎn)低于天然金剛石刀具。

在復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金基體表面沉積附著強(qiáng)度高、表面光滑性好的CVD金剛石膜的制備技術(shù)一直是制約CVD金剛石膜涂層刀具大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)難題之一，這極大地限制了CVD金剛石膜的應(yīng)用范圍。

在硬質(zhì)合金銑刀表面沉積一層CVD金剛石膜能有效地增強(qiáng)其耐磨性。在加工石墨和加工Al/SiC-MMCs工件的試驗(yàn)中，均揭示了金剛石膜作為耐磨材料應(yīng)用在硬質(zhì)合金刀具表面的優(yōu)越性，為金剛石膜的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2、煤液化減壓閥關(guān)鍵部件

煤直接液化工藝系統(tǒng)高溫高壓分離器下游排放殘?jiān)玫臏p壓閥，在實(shí)際工作時(shí)需要面對高溫(455℃)、高壓差(約20MPa)、高流體速度(約107m/s)和高固態(tài)濃度(固體顆粒濃度高達(dá)50%以上)流體沖蝕的極端工況條件。因此，對其閥座、閥芯等關(guān)鍵部件受沖蝕表面的抗沖蝕磨損性能和使用穩(wěn)定性提出了非常高的要求。

過去這些關(guān)鍵部件主要依賴進(jìn)口，但即使價(jià)格昂貴的進(jìn)口部件，其平均使用壽命也只有不到400h。在煤液化工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要頻繁進(jìn)行設(shè)備性能檢測及部件更換，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的抗沖蝕磨損性能良好的煤液化減壓閥閥座和閥芯部件具有重大意義。在常用的CVD金剛石涂層沉積方法中，熱絲CVD法具有沉積設(shè)備簡單、可實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)雜形狀沉積的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于閥座內(nèi)孔弧面和閥芯圓柱外表面上金剛石涂層的沉積。試驗(yàn)表明：沉積獲得的金剛石涂層減壓閥部件的使用壽命達(dá)到了1200h，比傳統(tǒng)未涂層的減壓閥使用壽命提高了3倍以上。

3、銑削CFRP

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車和能源等領(lǐng)域。一般CFRP制件的成形性主要采用近凈成形技術(shù)，但成形后因滿足不了精度或裝配需要，常需要進(jìn)行銑削加工。CFRP屬于典型的難加工材料，在加工過程中，高硬度、低導(dǎo)熱性的碳纖維增強(qiáng)相會(huì)嚴(yán)重磨損刀具，同時(shí)切削區(qū)的局部高溫會(huì)加速刀具刃口磨損；銑削后材料易產(chǎn)生毛刺、撕裂、分層等加工缺陷。傳統(tǒng)硬質(zhì)合金銑刀已不能滿足其加工要求，需要增加耐磨涂層。金剛石膜因硬度高、導(dǎo)熱率高及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，成為制造CFRP刀具耐磨涂層的理想材料。

CVD金剛石涂層刀具的制備過程不受刀具形狀的限制，涂覆后刀具可以直接使用，適用于制備復(fù)雜形狀的刀具，如銑刀、鉆頭等。

楊小墦等在研究CFRP的切削加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在相同的硬質(zhì)合金立銑刀基體上，分別制備了粗晶、細(xì)晶、復(fù)合晶3種不同涂層工藝的CVD金剛石膜。在相同的切削條件下對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，復(fù)合晶工藝的金剛石涂層銑刀使用壽命最長，約為粗晶金剛石涂層銑刀的1.35倍，細(xì)晶金剛石涂層銑刀的1.59倍，更適合碳纖維復(fù)合材料的銑削加工。

4、強(qiáng)化孕鑲金剛石鉆頭

孕鑲金剛石鉆頭在地質(zhì)勘探中的使用已有數(shù)十年歷史。隨著21世紀(jì)鉆探技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，地質(zhì)勘探新要求的不斷出現(xiàn)、相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、鉆探技術(shù)裝備及工藝的不斷變革，作為碎巖工具的鉆頭也在不斷創(chuàng)新。面對國內(nèi)外地質(zhì)勘探的形勢和任務(wù)，各國更加重視高性能金剛石鉆頭的研究和開發(fā)工作。如DeBeers公司曾在上世紀(jì)年80代就研制出了由熱穩(wěn)定聚晶金剛石Syndax-3強(qiáng)化的孕鑲金剛石鉆頭，以及國外有人采用巴拉斯三角形聚晶和人造單晶孕鑲層的復(fù)合，使鉆頭具有鉆進(jìn)中硬至硬地層的較寬范圍。

孕鑲金剛石鉆頭的性能對地質(zhì)勘探的鉆進(jìn)效率和成本有很大的影響，為了提高鉆頭的性能，科研人員設(shè)計(jì)、制造了一種用CVD金剛石條作為硬支點(diǎn)材料的新型孕鑲金剛石鉆頭，并進(jìn)行了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)。結(jié)果表明：與軟支點(diǎn)孕鑲金剛石鉆頭相比，在回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)時(shí)，硬支點(diǎn)從時(shí)效、抗沖擊韌性等方面均優(yōu)于軟支點(diǎn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是一種優(yōu)質(zhì)、高效的鉆進(jìn)技術(shù)，尤其是在硬巖鉆進(jìn)過程中，可有效提高鉆進(jìn)效率，減小鉆頭，且硬支點(diǎn)鉆頭具有較高的壽命，鉆進(jìn)過程更加穩(wěn)定。

5、加工氧化鋯陶瓷

氧化鋯陶瓷具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、能源等領(lǐng)域，比如在口腔修復(fù)領(lǐng)域，以它為原料制成的全瓷牙成為市場中備受青睞的產(chǎn)品。它能很好地適應(yīng)于牙齒工作及環(huán)境，同時(shí)它的外觀也符合消費(fèi)者的需求。但由于其硬度高，難于銑削加工，同時(shí)制作所要求的復(fù)雜度與精度也較高，所以，研制一種刀具可以在高效率、高質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)的要求下完成對氧化鋯陶瓷加工，成為一個(gè)很有意義的研究課題。

王海旺等人采用偏壓增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積法在硬質(zhì)合金片以及硬質(zhì)合金球頭銑刀上沉積三種不同金剛石膜涂層，分別為微米金剛石膜(MCD)、納米金剛石膜(NCD)和微米納米復(fù)合金剛石膜(MNCD)。

通過摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):三種CVD金剛石膜涂層與氧化鋯陶瓷球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)曲線的變化過程比較相似。在摩擦過程的開始階段，摩擦系數(shù)都比較大，然后在摩擦進(jìn)行過程中，摩擦系數(shù)逐漸減小，直至最后摩擦系數(shù)變得相對穩(wěn)定。而硬質(zhì)合金與前三者不同，其對磨在摩擦過程的開始階段，摩擦系數(shù)比較小，然后隨著摩擦過程的進(jìn)行，摩擦系數(shù)逐漸增大，但最后摩擦系數(shù)也會(huì)變得相對穩(wěn)定。

通過切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：金剛石涂層刀具的磨損遠(yuǎn)小于未涂層刀具。對比三種不同的金剛石膜涂層，MCD膜表面依舊可以觀察到尚未被磨平的金剛石顆粒，NCD和MNCD膜的磨損形貌十分類似，磨損量差別不大，相較MCD膜而言要小。

6、CVD厚膜刀具

化學(xué)沉積金剛石厚膜≥0.5mm的全晶質(zhì)純金剛石多晶結(jié)構(gòu)，不含任何金屬結(jié)合劑成分，理論上說兼有天然金剛石和聚晶金剛石(PCD)的特點(diǎn)，其性能接近天然金剛石，優(yōu)于PCD，而成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PCD。因而它將是一種極具發(fā)展前景的新型超硬材料。

CVD金剛石厚膜焊接刀具雖然可通過特殊的且簡便易行的技術(shù)釬焊接到所要求的硬質(zhì)合金基體上，但這種焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于高壓燒結(jié)PCD層與硬質(zhì)合金之間的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)它用于斷續(xù)切削這種高要求的機(jī)械加工時(shí)，其界面的聯(lián)接就顯得很脆弱。若能解決CVD金剛石厚膜的釬焊強(qiáng)度問題，那么CVD厚膜焊接刀具將能在整個(gè)機(jī)械加工領(lǐng)域同PCD刀具競爭。

為了評價(jià)CVD金剛石厚膜焊接刀具的優(yōu)良切削性能，日本住友公司對各種Al-Si合金進(jìn)行了切削試驗(yàn)，證明了CVD金剛石厚膜焊接刀具的切削性能和壽命優(yōu)于PCD刀具。Norton公司稱它們牌號為DiamaPak的CVD金剛石復(fù)合刀片在許多非鐵族材料加工中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PCD，刀具壽命比PCD長10倍，而且有更低的加工表面粗糙度。

鄧福銘等對CVD金剛石厚膜精密車刀進(jìn)行超精密切削性能研究，被加工材料為硬鋁合金LY12，切削深度5～6微米，進(jìn)給量0.01mm/r，切削速度120m/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加工表面粗糙度為0.05微米，證明了CVD金剛石厚膜刀具可取代天然單晶金剛石車刀用于超精密切削加工。

7、拉拔模具

金屬線材行業(yè)是我國的主要傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，拉拔模具是金屬線材生產(chǎn)企業(yè)重要的易消耗品。拉拔模具的性能決定了金屬線材的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。當(dāng)下，線材行業(yè)所用的模具主要為硬質(zhì)合金模具和聚晶金剛石模具兩大類。硬質(zhì)合金模具壽命較短，易粘料，生產(chǎn)效率低；聚晶金剛石模具價(jià)格高，制作較大尺寸模具和異形模具非常困難，且韌性較差。應(yīng)用CVD金剛石涂層技術(shù)，制成金剛石涂層拉拔模具，克服了硬質(zhì)合金拉拔模具不耐磨和聚晶金剛石拉拔模具韌性較差的缺點(diǎn)，成為新一代拉拔模具。

經(jīng)觀察，金剛石涂層拉拔模具在實(shí)際使用中，金剛石涂層拉拔模具失效并非由于磨損導(dǎo)致尺寸變化過大，而是金剛石涂層部分脫落后暴露的粗糙面使絲材表面劃傷導(dǎo)致失效，與普通的硬質(zhì)合金模具和聚晶金剛石模具的失效有本質(zhì)區(qū)別。

◆整理自《化學(xué)氣相沉積金剛石膜的工程應(yīng)用》，作者：王光祖