cvd法沉积金刚石厚膜在切削刀具中的应用

cvd法沉积金刚石厚膜在切削刀具中的应用

0超硬材料刀具随着汽车、航空和航空产业的快速发展，对材料的轻重量和比例要求日益增加。有必要广泛应用金属、骨骼、纤维增强材料、纤维增强材料、纤维增强材料、纤维增强材料、石墨和陶瓷等新材料。普通的高速钢和厚带锯难以用于这些材料的机械切割和加工。此外,随着现代机械加工朝着高精、高速、高效切削加工的方向发展,对刀具的性能提出了相当高的要求。因此,开发出耐磨性能更高、能更长时间进行稳定机械切削加工的超硬材料刀具是发展的必然趋势。金刚石具有许多优异的物理力学性能,如超高硬度,极高的耐磨性,极高的热导率,极低的摩擦系数,因而是制造切削刀具的理想材料。一方面由于天然金刚石资源极为有限,且价格昂贵;另一方面,由于单晶金刚石具有解理面,冲击韧性较低,限制了其在工业中大规模的推广使用。采用高温高压法烧结的聚晶金刚石(PCD)刀具材料虽然具有各向同性从而解决了单晶金刚石冲击韧性较低的问题,但由于含有5～10%的黏结剂成分,导致了刀具使用寿命和加工表面质量远低于天然金刚石刀具。化学气相沉积(CVD)金刚石厚膜是膜厚δ≥0.5mm的全晶质纯金刚石多晶结构,不含任何金属结合剂成分,理论上讲兼有天然金刚石和聚晶金刚石(PCD)特点,其性能接近天然金刚石(见表1)1大面积高质量cvd金刚石厚膜的制备CVD金刚石厚膜焊接刀具的制作工艺过程一般包括以下几个方面:大面积高质量CVD金刚石厚膜的制备;将金刚石厚膜切割成刀具需要的形状尺寸;金刚石厚膜与刀具基体材料的焊接;金刚石厚膜刀具切削刃的研磨和抛光。1.1热丝等离子体法制备cvd金刚石厚膜存在的问题目前工业制备金刚石厚膜的方法主要有热丝等离子CVD法(金刚石膜的沉积速度为几～十几μm/h)、微波等离子CVD法(沉积速度最高为10μm/h)、直流等离子体射流CVD法(沉积速度最高可达930μm/h热丝等离子CVD法可合成大面积高质量的CVD金刚石厚膜(目前国外最大直径可达ϕ180mm,国内最大直径可达ϕ120mm),但由于金刚石膜的生长过程中存在生长速度较慢、厚膜生长时间长、热丝易断裂,以及生长厚膜圆片温度场不均匀、热应力大、易开裂等问题,导致热丝等离子法制备CVD金刚石厚膜圆片成材率低,即使已成材CVD金刚石厚膜圆片也因其内应力大、冲击韧性低等问题而不能作为切削刀具应用。这些技术问题长期以来一直困扰着CVD金刚石厚膜生产厂商。早在上世纪九十年代,国内外已有多家公司(如美国Norton公司,英国元素六公司等)的CVD金刚石厚膜刀具材料在市场销售,但迄今国内外CVD金刚石厚膜圆片价格仍保持在150元/ct左右,这与上述制备技术的高难度有关。CVD金刚石厚膜刀具原材料价格昂贵,必然阻碍了CVD金刚石厚膜焊接刀具技术的进一步推广应用。我们自行设计、制造了具有知识产权的热丝等离子体法CVD金刚石膜生长设备,采用热丝CVD法生长CVD金刚石厚膜,过程中采用了一系列新工艺新技术,解决了大面积沉积过程中厚膜内应力大圆片易开裂,热丝易断裂,生长不均匀,生长速率低等技术难题。目前已能生长质量稳定、性能优异、厚度均匀、面积大的无支撑全晶质CVD金刚石厚膜(见图1)。直径110mm,厚度0.6～1mm,均匀一致,生长速度10～15μm/h。厚膜质量由拉曼光谱、X射线衍射、扫描电镜(SEM)分析技术鉴定为全纯金刚石由于CVD厚膜为纯金刚石,不导电,因而阻碍了较成熟的电火花(EDM)切割和加工技术的应用。为了提高CVD金刚石厚膜的可导电性,我们所还研制了可导电的CVD金刚石厚膜刀具材料,该材料电阻率1.2cvd金刚石厚膜的抛光技术气相沉积的金刚石膜为多晶膜,晶粒较粗,表面凸凹不平,在许多情况下不能直接使用,因而CVD金刚石厚膜的研磨抛光处理是必不可少的工艺步骤。由于金刚石厚膜硬度高,韧性差,研磨抛光效率低,极易破裂及损伤,因此CVD金刚石厚膜的抛光技术已成为CVD金刚石厚膜刀具应用中的关键性技术。国内外目前已经应用和正在研究的CVD金刚石厚膜抛光方法很多,主要可分为:①机械抛光法;②热化学抛光法;③化学辅助机械抛光法(CAMPP);④离子束抛光法;⑤激光抛光法等。机械抛光法一般采用传统金刚石研磨粉(膏)的研磨加工目前国内在CVD金刚石厚膜材料抛光加工研究中虽然对热化学抛光和激光束刻蚀抛光工艺1.3cvd金刚石厚膜的激光切割加工由于CVD金刚石厚膜硬度高且不导电,所以常规的电火花(EDM)加工、机械加工、超声波加工等方法不适合其切割加工,通常采用激光切割加工工艺方法。这种方法具有切缝窄、效率高等特点,切割可在保护气氛(氩气)环境下进行,也可在无保护气氛条件下直接进行。激光不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸,还能直接切出刀具的后角和修整厚膜表面。目前国内已有厂家提供CVD金刚石切割专用激光设备。也有的单位采用悬浮磨料高压水射流方法对CVD金刚石厚膜进行切割1.4cvd金刚石厚膜焊接复合药物diamp金刚石与一般金属及其合金之间具有很高的界面能,致使金刚石不能被一般低熔点合金所浸润,可焊性极差。目前,CVD金刚石厚膜刀具的焊接主要采用活性金属钎焊工艺方法。国外元素六(原DeBeers)公司推出的牌号为CVDITECDM的CVD金刚石-硬质合金焊接刀片有0.3mm和0.5mm两种厚度,按三角形和矩形不同几何图形提供给客户。元素六公司还准备推出可以采用电火花加工(EDM)的新型牌号CVDITE,这将大大提高其可加工性,更利于用户接受。美国NortonFilm公司推出的牌号为DiamaPakCVD金刚石复合刀片,也是由0.3mm或0.5mm厚度的CVD金刚石层焊接到硬质合金基底上,复合刀片总厚度为1.6mm,可根据用户需要提供各种图形刀片。我们研制的CVD金刚石厚膜焊接复合刀片是在CVD金刚石厚膜与硬质合金之间夹含Ti的Ag-Cu合金,通过钎焊与扩散相结合的方法,在真空状态下借助中间层焊料的熔化和向基体扩散使金刚石厚膜与硬质合金形成牢固的结合。此外,我们选择粗粒度硬质合金作基体,以厚膜生长面作为焊接面来进一步确保CVD金刚石厚膜与硬质合金焊接面之间的牢固结合。图3示出了研制的各种形状尺寸的CVD金刚石厚膜焊接复合刀片。1.5通插装式刀具检测与聚晶金刚石(PCD)相比,CVD金刚石厚膜其内应力大,内聚强度低,特别是在与硬质合金基体焊接过程中,由于CVD金刚石厚膜与硬质合金基体之间的热膨胀系数的差异,将进一步加剧其内应力。在刀具刃磨过程中容易使其应力释放,导致出现开裂或崩刃现象。因此,金刚石厚膜刀具刃磨工艺也不同于PCD刀具的刃磨工艺,一般在金刚石精密工具磨床上采用特殊的金刚石砂轮或者在静压空气悬浮轴承研磨机上采用研磨铸铁盘进行刃口研磨成型抛光。图4示出了我们研制的各种规格的CVD金刚石厚膜焊接复合刀具。2国外cvd金刚石厚膜刀具制备和应用研究由于金刚石厚膜焊接刀具兼有单晶金刚石和金刚石薄膜涂层刀具的优点,有着广阔的应用前景,世界各国曾投入大量的人力物力进行攻关研究。通过近十多年应用开发研究,CVD金刚石厚膜焊接刀具已进入实用阶段。美国(Kennametal公司、通用电气公司、Norton公司等)、日本(三菱金属、住友电工、东芝钨金属等)和欧洲的一些国家(瑞典Sandvik公司、德国Guhring公司)已有产品在市场上出售。为了评价CVD金刚石厚膜焊接刀具的优良切削性能,日本住友公司对各种Al-Si合金进行了切削试验,证明了CVD金刚石厚膜焊接刀具的切削性能和寿命优于PCD刀具国内的一些高等院校、科研院所和工具生产厂家也正加紧相关的产品开发研究,其中已有单位在国内外市场上批量销售其产品。1996年成立的国内首家CVD金刚石产业公司——北京天地东方金刚石技术有限公司,在金刚石膜的制备和应用研究方面已达到了实用的水平,已研制多种CVD金刚石厚膜焊接刀具,可批量供应CVD金刚石厚膜刀片及各种成品刀等系列产品。该公司研制的高精密CVD金刚石厚膜刀具切削试验表明,刀具加工粗糙度达到我们曾将研制的CVD金刚石厚膜车刀与PcBN、PCD及YG8车刀进行了切削对比试验研究。四种刀具均采用相同的刀具几何角度:此外,我们还对所研制的CVD金刚石厚膜精密车刀进行了超精密切削性能研究。切削试验机床是在航天局某厂的Shaublin125型精密车床(瑞士制造)进行的,被加工材料为硬铝合金LY12。切削深度3优化cvd金刚石厚膜焊接工艺,将其作为新型刀具还可回用在其他CVD金刚石厚膜刀具比天然单晶金刚石刀具的价格低,切削性能与之相当,在刀具使用寿命和加工精度等方面优于PCD刀具,因此,CVD金刚石厚膜刀具具有广阔的应用前景。虽然CVD金刚石厚膜刀具技术已经取得了一定突破,但距大规模工业化应用还有很长的路要走。为此,我们还需要继续以下方面的研究工作:(1)优化CVD金刚石厚膜合成工艺,进一步降低厚膜内应力及提高膜的内聚