GBT 43076-2023 CVD金刚石工具分类

CVD金刚石工具分类2023-09-07发布GB/T43076—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件修改采用ISO22180:2019《CVD金刚石工具分类》。本文件与ISO22180:2019的技术差异及其原因如下：——更改了本文件范围的表述(见第1章),以符合国家标准的表述方式。本文件做了下列编辑性改动：——增加了单晶金刚石定义中的“或采用化学气相沉积制备”(见3.4);——增加了MCD制造工艺描述中的“或采用化学气相沉积制备”(见附录C中C.1)。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国刀具标准化技术委员会(SAC/TC91)归口。本文件起草单位：上海交通大学、成都工具研究所有限公司、北京沃尔德金刚石工具股份有限公司、江西杰浩硬质合金工具有限公司。I1GB/T43076—2023CVD金刚石工具分类本文件规定了CVD金刚石工具的分类。本文件适用于CVD金刚石工具。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。下列术语和定义适用于本文件。活性钎焊activebrazing用钎焊合金将金刚石与金属基体连接的工艺。注：钎焊合金含有所谓的活性元素(例如钛),这些元素与金刚石的碳原子形成不饱和碳化物，并以这种方式将金刚石与钎焊材料结合。这种钎焊是在真空或保护气体环境中进行的。化学气相沉积chemicalvapourdepositionCVD在大多数情况下，在低压和沉积温度为600℃~1000℃的情况下制造金刚石的方法。高温高压合成high-pressurehigh-temperaturesynthesis在大约6GPa的压力和1400℃~1800℃的温度下制造金刚石的方法。注：可通过HPHT合成制备单晶。单晶金刚石monocrystallinediamondMCD天然或人工合成金刚石制成的切削材料[采用高温高压合成(3.3)或采用化学气相沉积(3.2)制备]。聚晶金刚石polycrystallingdiamondPCD通过两阶段高温高压烧结工艺制造的金刚石切削材料[HPHT合成(3.3)]。2注：第一步[通过高温高压合成(3.3)]制备的不同尺寸的金刚石晶体在第二步中被烧结到钴基体中。在第一步中制备的不同尺寸金刚石晶体在第二步中烧结到钴基体中形成坯料。由硬质相和黏结剂相组成的衬底材料，用于CVD(3.2)金刚石涂层薄膜工具制备。注：作为硬质相的单晶碳化钨(WC)与作为黏结剂相的钴(Co)结合在一起，通常称为WC-Co硬质合金。硬质合金也可由三相组成：单晶碳化钨相(WC)为α相，黏结剂相(Co、Ni等)为β相，任何其他金属元素或碳化物(TiC、Ta、NbC等)为γ相。工具基体上直接沉积厚度为1μm～40μm的涂层，工具形状重现；另一类是带具。图1显示了CVD金刚石涂层的结构。图2为CVD金刚石涂层工具的实例。合成CVD金刚石的制备工艺见附录A。标引序号说明：1——金刚石晶粒；2——晶粒边界；3——CVD金刚石薄膜；4——工具基体。3图2CVD金刚石涂层工具实例CVD金刚石涂层的改进见附录B。CVD金刚石厚膜工具通常由厚度在20μm～2000μm之间的自支撑多晶金刚石组成，如图3所示，金刚石沉积成厚膜后再切成具有几何结构的刀片。与PCD一样，通过进一步处理，它们作为切削刀片被钎焊到工具载体上(图4)。与PCD坯料的主要区别是不需要黏结剂。标引序号说明：1——金刚石晶粒；2——晶粒边界。·基体的抛光面。CVD厚膜金刚石的结构单晶金刚石(MCD)和聚晶金刚石(PCD)工具的结构和特征见附录C。图4CVD厚膜金刚石工具实例自2005年以来，低压合成(CVD工艺)也被用于合成单晶CVD金刚石(CVD-MCD)。这种金刚石改进在电子、光学以及机械加工技术方面都有应用，如图3所示。表1所示为常见的CVD金刚石工具的类别。注：CVD金刚石工具的使用并不限于表1所举的例子。4表1CVD金刚石工具的类别CVD金刚石工具的类别CVD金刚石涂层工具CVD金刚石厚膜工具厚度(Sp)/μm基体材料WC-Co硬质合金，钴含量最大为12%。陶瓷为基体材料，主要是硅基陶瓷材料硅可作为一次性使用材料，钼是常见的可重复使用的基体材料；另外，钛或铜合金也是可能采用的基体材料焊料CVD金刚石钎焊材料适用工具钻头，丝锥和带柄铣刀，微型刀具，大直径工具，用于车削和铣削的刀片用于车削，钻孔和铣削以及其他旋转工具中的一次性焊接刀片后处理(最终处理)后处理的目的是使刀具具有切削或排屑作用的所适配的切削刃半径，或在金刚石涂层表面上形成一个低摩擦系数的表面一般来说，高质量的表面要求只能通过磨削、研磨和抛光等机械加工作为最终工序来满足"·很长一段时间以来，这类金刚石工具的一个特点就是只制备二维刃形。目前，金刚石工具也可以形成复杂或三维的切削刃口。金刚石切削刃口微细几何结构可以通过激光加工获得，或者，对于导电的CVD金刚石，通过电火花加工(EDM)来获得切削刃凸台或切屑槽，通过在沉积过程中掺杂硼来使EDM加工成为可能。CVD金刚石涂层工具的制造工艺见附录D。5(资料性)制备工艺金刚石的合成CVD技术可以将金刚石直接沉积在一系列材料和具有几何结构的基体上。特别是在机械加工领气相合成的多晶CVD金刚石通常在1hPa～100hPa的低压范围内制造。需要等离子体或气相的热激活，工业上常用的CVD金刚石薄膜沉积工艺有热丝CVD法和大电流电弧等离子体CVD法。对于CVD金刚石厚膜，通常采用微波或直流激励的等离子体工艺。在热丝CVD金刚石沉积(HFCVD)中，气相是由钨、钽或另一种难熔金属丝在2000℃~2800℃的温度下激活的。在等离子体辅助CVD方法(PACVD)中，通常采用微波等离子体(MWPACVD)或直流等离子体(DCPACVD)电弧进行气相活化。待活化的气相大部分由氢气加上甲烷或其他碳氢化合物作为碳源的混合物组成，这种混合物的体积分数在0.5%～5%的范围内。金刚石沉积速率一方面取决于活化工艺和相关的CVD工艺参数，另一方面取决于要涂层的材料和基体几何形状。在CVD金刚石工具领域，通过等离子体激活方法制造CVD金刚石厚膜时，沉积速率从0.3μm/h左右到10μm/h左右不等。导电性可以通过掺杂来实现(导电性导致CVD金刚石可以通过放电加工):在金刚石沉积过程中加入硼。然而，掺杂会对用作切削材料的CVD金刚石的切削性能产生一定的影响。6GB/T43076—2023(资料性)CVD金刚石涂层改进作为提高CVD金刚石涂层性能的一种方式，根据VDI2840,CVD涂层技术提供了各种金刚石涂层改进的可能性。不同的改进工艺将产生不同的材料性能，从而也就影响着切削刀具的性能。自支撑CVD金刚石厚膜具有微米晶形貌，而CVD金刚石薄膜体系可分为微米晶、纳米晶和多层复合晶。微米晶薄膜的晶粒具有柱状结构，并具有较少的晶界，这意味着可以获得最高的CVD金刚石薄膜质量和抗磨性。由于晶粒尺寸较小，纳米晶金刚石薄膜的晶界数量较多(见图B.1)。图B.2所示为纳米晶金刚石薄膜的断裂面。这类涂层的特点是表面粗糙度低，摩擦性能好，抗黏着磨损能力强，非常适合最后阶段涂层。由于品界数量多，裂纹更难传播，因此抗裂性也得到了提高。图B.1CVD金刚石涂层的切削刃(案例)图B.2硬质合金基体和金刚石涂层(案例)如果在涂层过程中交替使用沉积微米晶和纳米晶金刚石薄膜的工艺条件，则可获得与纯纳米晶金刚石薄膜几乎相同的表面质量的金刚石多层涂层(见图B.3)。由于任何产生的裂纹都会沿着单个膜层传图B.3硬质合金基体上由各纳米晶层和微米晶层组成的金刚石多层膜的断裂面实例7(资料性)MCD和PCD工具的结构和特征C.1MCD工具的结构和特征数十年来，基于天然金刚石或通过高温高压合成(HPHT合成)生产的金刚石工具已成功用于难加工材料加工。这类金刚石工具可以通过各种方法将相对较大的微晶或所谓的PCD烧结坯料黏结到工具基体上，或通过金属、陶瓷或聚合物材料MCD是单晶金刚石，呈典型的立方、八面体或十二面体形式，可以自然生长并通过采矿获得或通过人工合成方法制造。在工业规模生产上，相应的制造工艺为HPHT合成或化学气相沉积。过磨削使MCD具有一定的刀刃几何形状。在工业机械加工中，MCD主要用于精加工工序以获得最佳的表面质量。在光学部件和高精密机械零件以及珠宝、塑料、木材和玻璃生产中MCD被广泛使用。图C.1显示了处于原始状态和锯切状态的MCD的示例。图C.2展示了焊接MCD作为车刀的实物图。通常，MCD作为切削刃的长度尺寸在1mm～14mm之间。图C.1真空钎焊的MCD在原始状态和锯切状态下的实物图图C.2焊接的MCD切削刃实物图8GB/T43076—2023C.2PCD工具结构和特征PCD是一种烧结复合材料，金刚石晶体分散在黏结相基体中(见图C.3)。通过变化黏结相含量和晶体颗粒度可以获得系列化不同性能的PCD,从而可以根据实际应用需求定制PCD切削材料性能。将烧结坯料黏结在硬质合金基体上，然后切割成单个片料，作为切削刀片通过感应钎焊将其钎焊到工具载体上(见图C.4)。可以将没有硬质合金基体的烧结坯料直接真空钎焊，但这在很大程度上取决于PCD产品的耐热性。与MCD不同，PCD不仅适用于精加工，也适用于粗加工，从而极大地扩展了金刚石在机械加工中的应用领域。3——PCD;图C.4用硬质合金基底钎焊(示例)将MCD和PCD固定到工具上的方法通常以能够获得非常好的连接强度为目标，然而MCD和PCD制造工艺和材料特性导致其应用于复杂几何形状工具时受限。此外，在某些难加工材料加工9C.2.2CVD金刚石涂层工具CVD金刚石涂层刀具除了具有良好的金刚石性能外，还可以在钻头、螺纹刀具和带柄铣刀、微型刀具甚至大直径工具上沉积涂层，可以适应复杂几何形状基体。CVD金刚石涂层刀片可以用于车削和铣削及切割锯片。制备工艺过程可以分为基体的预处理、化学气相沉积工艺过程和有选择性地进行涂层刀面结构后处理。C.2.3CVD金刚石厚膜工具与含有各种黏合剂的聚晶金刚石不同，无黏合剂的化学气相沉积金刚石具有更高的硬度和耐磨性，以及更高的热硬度和导热性。与聚晶金刚石相比，其断裂韧性较低。微晶金刚石毛坯是通过化学气相沉积工艺生产的，常常用激光将其切割成单个片料，然后再在真空中钎焊到刀片基体上，最后对切削刀片进行磨削加工。由于具有较大厚度，以这种方式生产的金刚石工具与化学气相沉积金刚石涂层工具相比具有高稳定性和相当高的磨损储备量。切削刀片的黏结强度取决于钎焊质量。像聚晶金刚石一样，这类金刚石工具的特点是它们只能用于二维刃口几何形状制造。作为切削刀片，化学气相沉积厚膜金刚石可用于车削、钻孔、铣削用焊接刀片以及大型切割锯片。金刚石工具刃口的微细几何结构可以通过激光加工获得，或者在导电的化学气相沉积金刚石中制备，通过放电加工(EDM),制作刃口凸台或切屑槽。(资料性)化学气相沉积金刚石涂层工具的制备D.1化学气相沉积金刚石涂层工具的制备化学气相沉积金刚石涂层技术可以经济高效地将涂层沉积到三维几何结构上，包括微观几何结构以及大面积区域。尽管较高的沉积温度(大约600℃~1000℃)使得被涂层的材料选择有限制，但是可适用于各类具有不同几何形状的零件涂层。与等离子体法相比，热丝化学气相沉积技术获得广泛应用主要得益于其具有更大的适用性以及较低的热应力。通过这个工艺，一方面可涂覆旋转刀具，例如尺寸非常小的刀具，另一方面可涂覆大量的可转位刀片。硬质合金是加工中使用的化学气相沉积金刚石刀具最常用的基体材料。通常情况碳化钨-钴(WC-Co)硬质合金中钴的质量分数不超过12%才可以沉积金刚石。这个限制的原因是在化学气相沉积金刚石涂层的极端条件下，钴对金刚石合成具有有害的化学作用。出于这个原因，在金刚石涂层之前要降低靠近表面的钴含量。在选择适当的预处理技术和进行金刚石涂层工艺优化之前有必要了解硬质合金的成分和碳化物的颗粒尺寸。预处理过程产生的特定的表面形貌有助于提升涂层黏附强度。提供化学气相沉积金刚石涂层服务的公司保留着表面预处理和涂层过程调试所用的硬质合金规格清单。硬质合金生产商可以进行硬质合金规格类型改进，有规律地更新和扩大清单内容。清单上内容通常可以在互联网上获得，或者可以从涂层公司获得。甚至有可能开发出专门用于涂层的微细和超细晶粒的硬质合金产品。通过沉积一层CVD金刚石涂层，可以显著延长这类硬质兼顾延展性的材料的使用寿命。也可以采用陶瓷和其他基体材料，然而，与硬质合金相比，它们的使用范围要小得多。在陶瓷基体材料中，硅基陶瓷特别适合于金刚石涂层。不仅通过机械互锁，而且通过陶瓷和金刚石涂层之间的化学键，保证了金刚石涂层非常好的附着性能。硅也可以用作基底材料在工业中制作切割刀片。尽管通过特殊处理可以对钢进行金刚石涂层，但是需要特别考虑钢与活化气相的反应、高沉积温度和热膨胀系数差异引起的高残余应力。表D.1是化学气相沉积金刚石涂层工具的制造示例。表D.1化学气相沉积金刚石涂层工具的制造示例涂层方法薄膜厚膜热丝金刚石化学气相沉积大电流电弧等离子体化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积微波等离子体直流等离子体热丝钨、钽或其他难熔金属一——热丝温度2000℃~2800℃一—一涂层方法薄膜厚膜热丝金刚石化学气相沉积大电流电弧等离子体化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积微波等离子体直流等离子体化学气相沉积金刚石的分类微晶、纳米晶体和多层结构微晶、多品(电子和光学中的应用)合成压力反应气体大气：水碳源：甲烷或碳氢化合物浓度：体积分数为0.5%～5%沉积速率0.3μm/h~10μm/h沉积温度600℃~1000℃电导率在沉积过程中掺杂硼使电火花加工成为可能基体材料硬质合金，硅基陶瓷预处理(包括强化清洗)在许多情况下，表面粗糙能改善涂层的机械嵌合或互锁性能D.2预处理在进行化学气相沉积金刚石过程之前，需要进行基体预处理。预处理过程至少包括强化清洗。在许多情况下，表面会变得粗糙，以改善涂层的机械嵌合或互锁性能。对于硬质合金基体，需要通过喷砂和/或蚀刻从涂层界面区域去除钴黏合剂，因为它对金刚石的生长有不利影响。多数情况下，最后的预处理步骤是布置金刚石籽晶以提供形核点，促进涂层生长。硬质合金的预处理包括单阶段或多阶段的机械、化学和/或热处理。在这方面，每个涂层公司都有自己的方法。除了已经讨论过的去除钴的方法外，还常常会制作带有微细切削刀痕的表面结构，从而导致金刚石与硬质WC晶粒互锁。喷丸是机械预处理的一种常见形式，在预处理开始时用于表面平坦化并进行切削刃口处理。用于改善金刚石涂层的涂层黏附力的另一种方法是以沉积钛或硅基涂层作为中间过渡层，从而避免了昂贵且耗时的硬质合金蚀刻处理。D.3后处理对于带有确定几何结构描述的切削刃的工具，直接进行CVD金刚石涂层会导致切削刃变钝，并且微米晶涂层会导致较高的表面粗糙度。对于CVD金刚石工具，刃口钝化现象不必自动视为缺点。未涂层的锋利刃口工具在使用中很快就会变钝，而CVD金刚石涂层工具几乎在整个工具寿命中都保持其初始刃口钝圆。更何况，如果刃口过于锋利，则更容易出现微崩刃现象。GB/T43076—2023在某些应用情况下，例如在木材和纤维增强材料的机加工中，后处理可以提高工具的性能。后处理的目的是为工具提供切削或去屑用途所需的切削刃半径，或在金刚石薄膜的常规的初始涂层表面上形成摩擦系数最小的表面。使得刀具更容易切入工件材料，并减少切削力。另外，对后刀面和切削表面的平滑处理可以改善切屑的形成和切屑的流动。D.4金刚石厚膜工具的制备等离子体化学气相沉积工艺用于制备CVD金刚石厚膜，一般涂层厚度为300μm及以上。与热丝化学气相沉积法相比，等离子体方法具有更高的活化能，因此具有相当高的金刚石沉积速率。然而，等离子体技术只能在平坦的基体上沉积金刚石。在沉积CVD金刚石厚膜之后，通常要除去衬底，因此制备的无黏结剂多晶金刚石毛坯料可用于进一步处理，成为CVD金刚石厚膜工具。晶体各向异性生长，垂直于衬底表面的晶体生长速度比那些取向较差的晶体生长得更快，通过这种方式生长的金刚石具有微米晶结构。D.4.2基体材料一方面，基体宜保证有高的形核密度，另一方面，应能承受涂层沉积过程的高温。硅可以作为牺牲层基体材料一次性使用，钼可作为重复使用的基体材料。此外，钛或铜合金是可使用基体材料。如果化学气相沉积金刚石厚膜要保留在基体上，可以使用氮化硅或硬质合金材料。在生产线上，通常用金刚石粉末抛光的形式或者通过超声波清洗池中的金刚石悬浮液的方式在基体上播种金刚石籽晶，从而产生成核点。金刚石的生长过程与金刚石涂层工具的CVD沉积过程相似。D.4.3切削刀片的准备将金刚石晶片与基体分离。如果硅被用作基体，则通过蚀刻技术完成。加工表面：该制造步骤的目的是获得平坦、光滑的表面以及均匀的金刚石晶片厚度。金刚石晶片的生长面在大多数情况下是通过金刚石磨削完成的，但也可以通过研磨或抛光方法完成。由于加工过程中使用的金刚石晶粒的硬度与金刚石晶片的硬度相当，因此加工相对耗时且昂贵。切割成一定形状的毛坯：通常借助于固态激光器(例如Nd:YAG)将整体晶片切割成具有一定形