（1）金剛石刀具材料的種類 金剛石刀具的種類主要有兩大類，即單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具，如圖所示。

（2）金剛石刀具材料的性能特點(diǎn) 如下所述。

1)極高的硬度和耐磨性。天然金剛石的顯微硬度達(dá)10000HV，金剛石具有極高的耐磨性，天然金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的80~120倍，人造金剛石的耐性為硬質(zhì)合金的60~80倍。加工高硬度材料時(shí)，金剛石刀具的壽命為硬質(zhì)合金刀具的10~100倍，甚至高達(dá)幾百倍。

2)各向異性的問(wèn)題。單晶金剛石晶體不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微觀強(qiáng)度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數(shù)等相差很大，因此，設(shè)計(jì)和制造單晶金剛石刀具時(shí)，必須正確選擇晶體方向，對(duì)金剛石原料必須進(jìn)行晶體定向。金剛石刀具的前、后刀面的選擇是設(shè)計(jì)單晶金剛石刀具的一個(gè)重要問(wèn)題。聚晶金剛石刀具材料可克服單晶金剛石的各向異性缺陷。

3)摩擦系數(shù)。金剛石刀具具有很低的摩擦系數(shù)。金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其他刀具都低，約為硬質(zhì)合金刀具的一半。通常在0.1~0.3之間。如金剛石與黃銅、鋁和純銅之間的摩擦系數(shù)分別為01、0.3和0.25。對(duì)于同一種加工材料，天然金剛石刀具的摩擦系數(shù)低于人造金剛石刀具。摩擦系數(shù)低，則切削加工變形小，可減小切削力。

4)切削刃非常鋒利，加工表面的表面粗糙度值很小。金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，切削刃鈍圓半徑r一般可達(dá)0.1~0.5μm。天然單晶金剛石刀具可高達(dá)0.002~0.008μm。因此，天然金剛石刀具能進(jìn)行超薄切削和超精密加工。加工表面的表面粗糙度值可達(dá)Ra0.1~0.3μm，高的可達(dá)Ra0.001μm。

5)優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。金剛石具有很高的導(dǎo)熱性能。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5~9倍，為銅的2~6倍。由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，刀具切削區(qū)域溫度低。

6)較低的熱膨脹系數(shù)和較大的彈性模量。金剛石的熱膨脹系數(shù)是硬質(zhì)合金的1/3~1/2，為高速工具鋼的1/10。因此金剛石刀具不會(huì)產(chǎn)生很大的熱變形，即由切削熱引起的刀具尺寸的變化很小，同時(shí)較大的彈性模量使切削刃不易變形，這對(duì)尺寸精度要求很高的精密和超精密加工來(lái)說(shuō)尤為重要。

下表所示為單晶金剛石、聚晶金剛石和CVD金剛石的性能。

(3)單晶金剛石刀具 單晶金剛石分為天然單晶金剛石和人造單晶金剛石。天然金剛石俗稱鉆石，是人類最早發(fā)現(xiàn)的一種最硬的天然礦物，優(yōu)質(zhì)天然金剛石多數(shù)為規(guī)整的8面體或菱形12面體，少數(shù)為6面立方體或其他形狀，淺色透明，無(wú)雜質(zhì)和缺陷具有很強(qiáng)的折光率。第一次工業(yè)革命時(shí)期，天然單晶金剛石刀具開(kāi)始用于鐘表和精密儀器儀表軸承的機(jī)械加工，大大提高了加工精度。

天然單晶金剛石刀具是將經(jīng)研磨加工成一定幾何形狀和尺寸的單顆粒大型金剛石用焊接式、粘接式、機(jī)夾式或粉末冶金方法固定在刀桿或刀體上，然后裝在精密機(jī)床上使用。天然單晶金剛石刀具經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨，刃口能磨得極其鋒利，刃口半徑可達(dá)0.002μm，能實(shí)現(xiàn)超薄切削。再加上它與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小，抗粘接性好與非鐵金屬無(wú)親和力，熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱系數(shù)高等特點(diǎn)，利用天然金剛石刀具加工可獲得高的工件精度和極低的表面粗糙度值。因此，天然金剛石刀具切削也稱鏡面切削天然金剛石刀具是一致公認(rèn)的、理想的和不能替代的超精密加工刀具。目前，天然金剛石刀具超精密鏡面切削技術(shù)得到迅速發(fā)展，應(yīng)用市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，需求量迅速增加。目前，主要用于銅及銅合金、鋁及鋁合金以及金、銀、銠等貴重金屬特殊工件的超精加工，如計(jì)算機(jī)磁盤(pán)基片、光學(xué)平面鏡、多面鏡、二次曲面鏡等。由于天然金剛石刀具不僅價(jià)格昂貴，而且資源有限，貨源奇缺，使其應(yīng)用范圍受到限制。目前，世界上天然金剛石的年總產(chǎn)量只有約1億克拉左右，其中適合制作切削刀具的天然金剛石所占比例非常小，約占3%~4%。

單晶金剛石用于制作切削刀具必須是大顆粒(質(zhì)量大于0.1g，最小徑長(zhǎng)不得小于3mm)。由于人工合成大顆粒單晶金剛石制造技術(shù)復(fù)雜，生產(chǎn)率低，制造成本高。目前單晶金剛石刀具絕大部分為天然單晶金剛石制成。

因單晶金剛石具有各向異性，各晶面的面網(wǎng)密度、硬度、耐性能、微觀強(qiáng)度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數(shù)等相差很大。沿(111)面易解理且抗破裂性能差，抗彎強(qiáng)度低，因此，設(shè)計(jì)和制造單晶金剛石刀具時(shí)，必須正確選擇晶體方向，對(duì)金剛石原料必須進(jìn)行晶體定向。金剛石刀具的前、后刀面的選擇是設(shè)計(jì)單晶金剛石刀具的一個(gè)重要問(wèn)題。

(4)聚晶金剛石(PCD)刀具 PCD復(fù)合片是由天然或人工合成的金剛石粉末與結(jié)合劑(其中含鈷、鎳等金屬)按一定比例在高溫(1000~2000℃)、高壓(5~10GPa)下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過(guò)程中，由于結(jié)合劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiCFe、Co、Ni等為主要成分的結(jié)合橋，金剛石品體以共價(jià)鍵型式鑲嵌于結(jié)合橋的骨架中。由于天然金剛石的價(jià)格昂貴，實(shí)際生產(chǎn)中用得更多的還是PCD刀具。雖然PCD的硬度低于單晶金剛石，但PCD屬各向同性材料，使得刀具制造中不需擇優(yōu)定向;由于PCD結(jié)合劑具有導(dǎo)電性，使得PCD便于切割成型，且成本遠(yuǎn)低于天然金剛石;PCD原料來(lái)源豐富，其價(jià)格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一。因此，PCD的應(yīng)用遠(yuǎn)比天然金剛石刀具廣泛。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，PCD刀具的生產(chǎn)和應(yīng)用逐年增加。PCD刀具無(wú)法磨出極其鋒利的刃口，刃口半徑很難達(dá)到1m以下，加工的工件表面質(zhì)量也不如天然金剛石，現(xiàn)在工業(yè)中還不能方便地制造帶有斷屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金屬和非金屬的精切，很難達(dá)到超精密鏡面切削。

(5)CVD金剛石刀具 CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)合金、陶瓷等)上合成金剛石膜。CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結(jié)構(gòu)和特性。自從20世紀(jì)70年代末至80年代初，CVD金剛石技術(shù)的出現(xiàn)日趨成熟，不僅直接沖擊非涂層硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具市場(chǎng)，而且還成為PCD刀具強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

CVD金剛石不含任何金屬或非金屬添加劑，因此，CVD金剛石的性能與天然金剛石相比十分接近，兼具單晶金剛石和聚晶金剛石(PCD)的優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上又克服了它們的不足。CVD金剛石工具產(chǎn)品的使用性能在許多方面超過(guò)聚晶金剛石的同類產(chǎn)品，而且其低表面粗糙度值接近單晶金剛石，抗沖擊性超過(guò)單晶金剛石。因此，CVD金剛石被看作是一種有前景的新金剛石材料。CVD金剛石刀具的超硬耐性和良好的韌性使之可加工大多數(shù)非金屬材料和多種有色金屬材料，如鋁、硅鋁合金、銅、銅合金、石墨、陶瓷以及各種增強(qiáng)玻璃纖維和碳纖維結(jié)構(gòu)材料等。CVD金剛石刀具還可用作高效和高精密加工刀具，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于價(jià)格昂貴的天然金剛石刀具。

(6)電鍍金剛石刀具 它是用電鍍埋砂的方法，以金屬鎳、銅或鈷等作為粘結(jié)劑把大量金剛石的細(xì)小顆粒包裹在一定尺寸和幾何形狀的刀具基體表面上，再經(jīng)過(guò)修磨等工序制成的。電鍍金剛石刀具由于制作工藝簡(jiǎn)單而得到一定的應(yīng)用。