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CVD 金刚石刀具的研究进展与应用现状

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【摘要】金刚石膜是采用化学气相沉积的方法制备出来的一种全晶质多晶纯金刚石材料, 是制造刀具的理想材料。本文对CVD 金刚石涂层刀具与厚膜焊接刀具的研究进展与应用现状进行了简要的综述。
1 引言
随着汽车、航空和航天工业的迅速发展, 对材料的轻质量化、高比强度的要求日益提高, 有色金属及合金、碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、纤维增强金属以及石墨、陶瓷等新材料在工业中得到越来越广泛的应用, 普通的高速钢和硬质合金刀具在对这些材料进行机械加工时,其缺陷就明显暴露出来。另外, 现代集成制造系统、计算机集成制造系统的问世, 以及机械加工正朝着高精密、高速度、高生产率切削的方向发展, 对刀具性能也提出了相当高的要求。开发出耐磨性能优良、能长时间进行稳定机械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性能, 如超高硬度、高热导率、高光学透过率和极好的电绝缘性, 是目前已知材料中难以比拟的制造刀具的理想材料。由于天然金刚石资源极为有限, 且价格昂贵, 无法在工业中大规模的使用。而用高温高压法制造的聚晶金刚石(PCD) 刀具都含有5%- 10%的结合剂成分, 这
导致了其所获得的被加工材料表面质量低于天然金刚石刀具的加工表面质量, 且PCD 刀具不能制造成复杂的形状。化学气相沉积(CVD) 金刚石是纯金刚石的多晶结构, 没有金属结合剂成分, 理论上讲它是最接近天然金刚石的一种新型刀具材料, 其性能与PCD接近( 或略低于PCD) , 而成本远比PCD 低, 且可在复杂形状上获得均匀涂层。CVD 金刚石的主要性能及其与纯天然金刚石的性能比较见表1。目前CVD金刚石刀具主要分为两大类, 即金刚石薄膜涂层刀具和金刚石厚膜焊接刀具。CVD 金刚石薄膜涂层刀具特别适合加工有色金属及合金、非金属材料、复合材料等难加工材料, 而CVD 金刚石厚膜焊接刀具可用于精密甚至超精密切削加工。本文拟对两种CVD 金刚石刀具的研究进展以及应用现状做一综述。
表1 室温下纯天然金刚石及CVD 金刚石的主要性能比较


2 CVD 金刚石薄膜涂层刀具
CVD 金刚石薄膜涂层刀具一般是采用化学气相沉积的方法在韧性好、强度高的硬质合金衬底上沉积厚度小于30?m 的金刚石薄膜制造而成。从其制造方法中可以了解到CVD 金刚石薄膜涂层刀具兼具了硬质合金与金刚石薄膜的性能。
(1) 金刚石薄膜与硬质合金衬底之间的附着力 
金刚石涂层能显著延长刀具的使用寿命, 改善刀具的使用效果。然而金刚石薄膜与硬质合金衬底间附着性较差的缺点限制了CVD 金刚石涂层硬质合金刀具的大规模工业化应用。如果膜与衬底间附着力小, 在切削加工过程中, 在切削力的作用下金刚石薄膜易脱落, 从而严重影响涂层刀具的使用效果和寿命。所以目前对CVD 金刚石薄膜涂层刀具的研究主要是围绕着附着力问题进行的。增强金刚石薄膜涂层与硬质合金衬底间附着力的困难来自硬质合金中的粘结相钴。过渡族元素(铁、钴、镍) 在高温高压条件下能够促进石墨向金刚石转化, 因此可以用作高温高压合成金刚石的触媒。然而在低温低压下(CVD 金刚石生长条件下) , 它们却促进石墨生长[2], 使金刚石薄膜与硬质合金衬底的附着力变得很差, 无法应用。所以近几年研究人员想尽一切办法试图改进金刚石薄膜与硬质合金衬底之间的附着力,采取的措施包括: 施加各种各样的过渡层; 采
用酸液浸蚀或各种刻蚀法去除钴; 研制无钴或者含钴量很小的硬质合金衬底; 机械或热处理、准分子激光照射硬质合金衬底的表面; C60和碳纳米管增强硬质合金基体形核。经过持续不断的努力, 金刚石薄膜与硬质合金衬底的附着力问题基本解决, 尽管仍然存在大幅度提高附着力的余地, 但金刚石薄膜涂层硬质合金刀具已经上市, 并已在石墨、复合材料、高硅铝合金等难加工材料的加工方面取得了成功。
(2) CVD 金刚石薄膜涂层刀具应用现状
在20世纪后期, 国外出现了可以用于金刚石薄膜涂层工具大批量工业化生产的设备, 一次可以沉积数百只硬质合金钻头或刀片, 拉开了金刚石薄膜涂层工具产业化的序幕。一些专门从事金刚石膜涂层工具生产的公司在国外相继出现。在一些发达国家, 金刚石涂层刀具研究极为活跃。
3 .CVD 金刚石厚膜焊接刀具的制造
CVD 金刚石厚膜焊接刀具是将化学气相沉积制备的厚度超过300?m 的自支撑金刚石厚膜切割后焊接在刀具基体上制造而成。CVD 金刚石厚膜焊接刀具的切削性能和寿命与PCD 刀具十分相似。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, 从而具有广阔的应用前景。
       CVD 金刚石厚膜焊接刀具的制作过程一般包括以下几个方面: 大面积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。金刚石厚膜的制备。目前制备金刚石厚膜的方法主要有热丝CVD 法( 金刚石膜的沉积速度为几至十几?m/ h) 、微波等离子CVD 法( 沉积速度最高为10?m/ h) 、直流等离子体射流CVD 法( 沉积速度最高可达930?m/ h[17] ) 。在1995 年的第三届金刚石膜与相关材料应用会议上, 采用激光辅助沉积方法使金刚石膜的生长速度达到创记录的3600?m/ h, 但在设备长时间稳定工作以及大面积制备金刚石膜方面可能还存在较大困难 。采用热丝CVD 法在Mo 基体上沉积金刚石厚膜(约500?m) , 沉积速度高于10?m/ h, 亦得到了自支撑金刚石厚膜。
金刚石厚膜的切割。由于金刚石厚膜硬度高、耐磨性好、不导电, 所以常规的机械切削、线切割、超声波加工等工艺方法都不适用于金刚石厚膜的切割加工。常用的高效切割方法是激光切割。这种方法具有切缝窄、效率高等特点。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并修整厚膜表面。
  金刚石厚膜刀具的焊接。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, 金刚石厚膜刀具的焊接工艺主要采用活性金属化的方法。焊料是含有铁的银铜合金, 不加助熔剂, 在惰性保护气体或真空中焊接, 采用高频感应加热, 加热温度为850? C。
金刚石厚膜刀具的刃磨与抛光。金刚石厚膜刀具的刃磨方法有: 机械磨削(包括金刚石砂轮磨削、电镀金刚石磨盘粗磨和金刚石微粉研磨)、热金属盘研磨、激光束加工、离子束加工和等离子体刻蚀等 。各种研磨抛光工艺方法的特性见表3。
4 结语
CVD 金刚石刀具比天然单晶金刚石刀具的价格低, 切削性能与PCD 刀具相当, 在切削精度等方面甚至优于PCD 刀具, 因此, CVD 金刚石刀具具有广阔的应用前景。虽然CVD 金刚石刀具的研制已经取得了一些成功, 但距大规模产业化还有很长的路要走。为此还需注意以下方面的研究工作: 进一步研究CVD 金刚石膜的合成工艺, 提高膜的生长速率及质量, 合成大面积高质量的金刚石膜; 尽可能地提高金刚石薄膜与衬底之间的附着力, 开发有效快速的检测手段,这是决定金刚石涂层刀具寿命和性能的关键因素;解决金刚石刀具的制造工艺、刃磨方法及设备问题,降低制造成本, 提高刀具质量; 合成大颗粒单晶金刚石。

附表


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