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CVD 金剛石刀具的研究進展與應用現狀

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【摘要】金剛石膜是采用化學氣相沉積的方法制備出來的一種全晶質多晶純金剛石材料, 是制造刀具的理想材料。本文對CVD 金剛石涂層刀具與厚膜焊接刀具的研究進展與應用現狀進行了簡要的綜述。
1 引言
隨著汽車、航空和航天工業的迅速發展, 對材料的輕質量化、高比強度的要求日益提高, 有色金屬及合金、碳纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料、纖維增強金屬以及石墨、陶瓷等新材料在工業中得到越來越廣泛的應用, 普通的高速鋼和硬質合金刀具在對這些材料進行機械加工時,其缺陷就明顯暴露出來。另外, 現代集成制造系統、計算機集成制造系統的問世, 以及機械加工正朝著高精密、高速度、高生產率切削的方向發展, 對刀具性能也提出了相當高的要求。開發出耐磨性能優良、能長時間進行穩定機械加工的超硬材料刀具是發展的必然趨勢。金剛石具有許多優異的性能, 如超高硬度、高熱導率、高光學透過率和極好的電絕緣性, 是目前已知材料中難以比擬的制造刀具的理想材料。由于天然金剛石資源極為有限, 且價格昂貴, 無法在工業中大規模的使用。而用高溫高壓法制造的聚晶金剛石(PCD) 刀具都含有5%- 10%的結合劑成分, 這
導致了其所獲得的被加工材料表面質量低于天然金剛石刀具的加工表面質量, 且PCD 刀具不能制造成復雜的形狀?;瘜W氣相沉積(CVD) 金剛石是純金剛石的多晶結構, 沒有金屬結合劑成分, 理論上講它是最接近天然金剛石的一種新型刀具材料, 其性能與PCD接近( 或略低于PCD) , 而成本遠比PCD 低, 且可在復雜形狀上獲得均勻涂層。CVD 金剛石的主要性能及其與純天然金剛石的性能比較見表1。目前CVD金剛石刀具主要分為兩大類, 即金剛石薄膜涂層刀具和金剛石厚膜焊接刀具。CVD 金剛石薄膜涂層刀具特別適合加工有色金屬及合金、非金屬材料、復合材料等難加工材料, 而CVD 金剛石厚膜焊接刀具可用于精密甚至超精密切削加工。本文擬對兩種CVD 金剛石刀具的研究進展以及應用現狀做一綜述。
表1 室溫下純天然金剛石及CVD 金剛石的主要性能比較


2 CVD 金剛石薄膜涂層刀具
CVD 金剛石薄膜涂層刀具一般是采用化學氣相沉積的方法在韌性好、強度高的硬質合金襯底上沉積厚度小于30μm 的金剛石薄膜制造而成。從其制造方法中可以了解到CVD 金剛石薄膜涂層刀具兼具了硬質合金與金剛石薄膜的性能。
(1) 金剛石薄膜與硬質合金襯底之間的附著力 
金剛石涂層能顯著延長刀具的使用壽命, 改善刀具的使用效果。然而金剛石薄膜與硬質合金襯底間附著性較差的缺點限制了CVD 金剛石涂層硬質合金刀具的大規模工業化應用。如果膜與襯底間附著力小, 在切削加工過程中, 在切削力的作用下金剛石薄膜易脫落, 從而嚴重影響涂層刀具的使用效果和壽命。所以目前對CVD 金剛石薄膜涂層刀具的研究主要是圍繞著附著力問題進行的。增強金剛石薄膜涂層與硬質合金襯底間附著力的困難來自硬質合金中的粘結相鈷。過渡族元素(鐵、鈷、鎳) 在高溫高壓條件下能夠促進石墨向金剛石轉化, 因此可以用作高溫高壓合成金剛石的觸媒。然而在低溫低壓下(CVD 金剛石生長條件下) , 它們卻促進石墨生長[2], 使金剛石薄膜與硬質合金襯底的附著力變得很差, 無法應用。所以近幾年研究人員想盡一切辦法試圖改進金剛石薄膜與硬質合金襯底之間的附著力,采取的措施包括: 施加各種各樣的過渡層; 采
用酸液浸蝕或各種刻蝕法去除鈷; 研制無鈷或者含鈷量很小的硬質合金襯底; 機械或熱處理、準分子激光照射硬質合金襯底的表面; C60和碳納米管增強硬質合金基體形核。經過持續不斷的努力, 金剛石薄膜與硬質合金襯底的附著力問題基本解決, 盡管仍然存在大幅度提高附著力的余地, 但金剛石薄膜涂層硬質合金刀具已經上市, 并已在石墨、復合材料、高硅鋁合金等難加工材料的加工方面取得了成功。
(2) CVD 金剛石薄膜涂層刀具應用現狀
在20世紀后期, 國外出現了可以用于金剛石薄膜涂層工具大批量工業化生產的設備, 一次可以沉積數百只硬質合金鉆頭或刀片, 拉開了金剛石薄膜涂層工具產業化的序幕。一些專門從事金剛石膜涂層工具生產的公司在國外相繼出現。在一些發達國家, 金剛石涂層刀具研究極為活躍。
3 .CVD 金剛石厚膜焊接刀具的制造
CVD 金剛石厚膜焊接刀具是將化學氣相沉積制備的厚度超過300μm 的自支撐金剛石厚膜切割后焊接在刀具基體上制造而成。CVD 金剛石厚膜焊接刀具的切削性能和壽命與PCD 刀具十分相似。由于金剛石厚膜焊接刀具兼有單晶金剛石和金剛石薄膜涂層刀具的優點, 從而具有廣闊的應用前景。
       CVD 金剛石厚膜焊接刀具的制作過程一般包括以下幾個方面: 大面積CVD 金剛石厚膜的制備;將金剛石厚膜切割成刀具需要的形狀尺寸; 
金剛石厚膜與刀具基體材料的焊接; 金剛石厚膜刀具切削刃的研磨和拋光。金剛石厚膜的制備。目前制備金剛石厚膜的方法主要有熱絲CVD 法( 金剛石膜的沉積速度為幾至十幾μm/ h) 、微波等離子CVD 法( 沉積速度最高為10μm/ h) 、直流等離子體射流CVD 法( 沉積速度最高可達930μm/ h[17] ) 。在1995 年的第三屆金剛石膜與相關材料應用會議上, 采用激光輔助沉積方法使金剛石膜的生長速度達到創記錄的3600μm/ h, 但在設備長時間穩定工作以及大面積制備金剛石膜方面可能還存在較大困難 。采用熱絲CVD 法在Mo 基體上沉積金剛石厚膜(約500μm) , 沉積速度高于10μm/ h, 亦得到了自支撐金剛石厚膜。
金剛石厚膜的切割。由于金剛石厚膜硬度高、耐磨性好、不導電, 所以常規的機械切削、線切割、超聲波加工等工藝方法都不適用于金剛石厚膜的切割加工。常用的高效切割方法是激光切割。這種方法具有切縫窄、效率高等特點。激光不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸, 還能直接切出刀具的后角并修整厚膜表面。
  金剛石厚膜刀具的焊接。金剛石與一般金屬及其合金之間具有很高的界面能, 致使金剛石不能被一般低熔點合金所浸潤, 可焊性極差。目前, 金剛石厚膜刀具的焊接工藝主要采用活性金屬化的方法。焊料是含有鐵的銀銅合金, 不加助熔劑, 在惰性保護氣體或真空中焊接, 采用高頻感應加熱, 加熱溫度為850o C。
金剛石厚膜刀具的刃磨與拋光。金剛石厚膜刀具的刃磨方法有: 機械磨削(包括金剛石砂輪磨削、電鍍金剛石磨盤粗磨和金剛石微粉研磨)、熱金屬盤研磨、激光束加工、離子束加工和等離子體刻蝕等 。各種研磨拋光工藝方法的特性見表3。
4 結語
CVD 金剛石刀具比天然單晶金剛石刀具的價格低, 切削性能與PCD 刀具相當, 在切削精度等方面甚至優于PCD 刀具, 因此, CVD 金剛石刀具具有廣闊的應用前景。雖然CVD 金剛石刀具的研制已經取得了一些成功, 但距大規模產業化還有很長的路要走。為此還需注意以下方面的研究工作: 進一步研究CVD 金剛石膜的合成工藝, 提高膜的生長速率及質量, 合成大面積高質量的金剛石膜; 盡可能地提高金剛石薄膜與襯底之間的附著力, 開發有效快速的檢測手段,這是決定金剛石涂層刀具壽命和性能的關鍵因素;解決金剛石刀具的制造工藝、刃磨方法及設備問題,降低制造成本, 提高刀具質量; 合成大顆粒單晶金剛石。

附表


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