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            金剛石刀具的制造方法及應用

              隨著汽車、航空和航天技術的飛速發展,對材料性能及加工技術的要求日益提高。新型材料如碳纖維增強塑料、顆粒增強金屬基復合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到廣泛應用。這些材料具有強度高、耐磨性好、熱膨脹系數小等特性,這決定了對它們進行機加工時刀具的壽命非常短。開發新型耐磨且穩定的超硬切削刀具是許多高校、科研院所和企業研究的課題。 金剛石集力學、光學、熱學、聲學、光學等眾多優異性能于一身,具有極高的硬度,摩擦系數小,導熱性高,熱膨脹系數和化學惰性低,是制造刀具的理想材料。本文對近年來金剛石刀具制造方法的發展作一概述。

              1.金剛石刀具的應用范圍

              (1)難加工有色金屬材料的加工

              加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時,材料易粘附刀具,加工困難。利用金剛石摩擦系數低、與有色金屬親和力小的特點,金剛石刀具可有效防止金屬與刀具發生粘結。此外,由于金剛石彈性模量大,切削時刃部變形小,對所切削的有色金屬擠壓變形小,可使切削過程在小變形下完成,從而可以提高加工表面質量。

              (2)難加工非金屬材料的加工

              加工含有大量高硬度質點的難加工非金屬材料,如玻璃纖維增強塑料、填硅材料、硬質碳纖維/環氧樹脂復合材料時,材料的硬質點使刀具磨損嚴重,用硬質合金刀具難以加工,而金剛石刀具硬度高、耐磨性好,因此加工效率高。

              (3)超精密加工

              隨著現代集成技術的問世,機加工向高精度方向發展,對刀具性能提出了相當高的要求。由于金剛石摩擦系數小、熱膨脹系數低、導熱率高,能切下極薄的切屑,切屑容易流出,與其它物質的親和力小,不易產生積屑瘤,發熱量小,導熱率高,可以避免熱量對刀刃和工件的影響,因此刀刃不易鈍化,切削變形小,可以獲得較高質量的表面。

              2.金剛石刀具的制造方法

              目前金剛石的主要加工方法有以下四種:薄膜涂層刀具、厚膜金剛石焊接刀具、金剛石燒結體刀具和單晶金剛石刀具。

              2.1 薄膜涂層刀具

              薄膜涂層刀具是在剛性及高溫特性好的集體材料上通過化學氣相沉積法(CVD)沉積金剛石薄膜制成的刀具。

              由于Si3N4系陶瓷、WC-Co系硬質合金以及金屬W的熱膨脹系與金剛石接近,制膜時產生的熱應力小,因此可作為刀體的基體材料。WC-Co系硬質合金中,粘結相Co的存在易使金剛石薄膜與基體之間形成石墨而降低附著強度,在沉積前需進行預處理以消除Co的影響(一般通過酸腐蝕去Co)。

              化學氣相沉積法是采用一定的方法把含有C源的氣體激活,在極低的氣體壓強下,使碳原子在一定區域沉積下來,碳原子在凝聚、沉積過程中形成金剛石相。目前用于沉積金剛石的CVD法主要包括:微波、熱燈絲、直流電弧噴射法等。

              金剛石薄膜的優點是可應用于各種幾何形狀復雜的刀具,如帶有切屑的刀片、端銑刀、鉸刀及鉆頭;可以用來切削許多非金屬材料,切削時切削力小、變形小、工作平穩、磨損慢、工件不易變形,適用于工件材質好、公差小的精加工。主要缺點是金剛石薄膜與基體的粘接力較差,金剛石薄膜刀具不具有重磨性。

              2.2 金剛石厚膜焊接刀具

              金剛石厚膜焊接刀具的制作過程一般包括:大面積的金剛石膜的制備;將金剛石膜切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與拋光。(1)金剛石厚膜的制備與切割

              常用的制備金剛石厚膜的工藝方法是直流等離子體射流CVD法。將金剛石沉積到WC-Co合金(表面進行鏡面加工)上,在基體的冷卻過程中,金剛石膜自動脫落。此方法沉積速度快(最高可達930μm/h),晶格之間結合比較緊密,但是生長表面比較粗糙。金剛石膜硬度高、耐磨、不導電決定了它的切割方法是激光切割(切割可在空氣、氧氣和氬氣的環境中進行)。采用激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸,還可以切出刀具的后角,具有切縫窄、高效等優點。

              (1)金剛石厚膜刀具的焊接

              金剛石與一般的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的低熔點合金所浸潤,可焊性極差。目前主要通過在銅銀合金焊料中添加強碳化物形成元素或通過對金剛石表面進行金屬化處理來提高金剛石與金屬之間的可焊性。

             ?、倩钚遭F料法

              焊料一般用含Ti的銅銀合金,不加助熔劑在惰性氣體或真空中焊接。常用的釬料成分Ag=68.8wt%,Cu=26.7wt%,Ti=4.5wt%,常用的制備方法是電弧熔煉法和粉末冶金法。Ti作為活性元素在焊接過程中與C反映生成TiC,可提高金剛石與焊料的潤濕性和粘結強度。加熱溫度一般為850℃,保溫10分鐘,緩冷以減小內應力。

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              金剛石表面的金屬化是通過表面處理技術在金剛石表面鍍覆金屬,使其表面具有金屬或類金屬的性能。一般是在金剛石的表面鍍Ti,Ti與C反應生成TiC,TiC與Ag-Cu合金釬料有較好的潤濕性和結合強度。目前常用的鍍鈦方法有:真空物理氣相沉積(PVD,主要包括真空蒸發鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍等),化學氣相鍍和粉末覆蓋燒結。PVD法單次鍍覆量低,鍍覆過程中金剛石的溫度低于500℃,鍍層與金剛石之間是物理附著、無化學冶金。CVD法Ti與金剛石發生化學反應形成強力冶金結合,反應溫度高,損害金剛石。

              (2)厚膜金剛石刀具的刃磨

              金剛石厚膜刀具的加工方法有:機械磨削,熱金屬盤研磨,離子束、激光束和等離子體刻蝕等。

              2.3 金剛石燒結體刀具

              將金剛石厚膜用滾壓研磨破壞的方法加工成平均粒度為32~37μm的金剛石晶?;蛑苯永酶邷馗邏悍ㄖ频媒饎偸Я?,把晶粒粉末堆放到WC-16wt%Co合金上,然后用Ta箔將其隔離,在5.5GPa、1500℃條件下燒結60分鐘,制成金剛石燒結體,用此燒結體制成的車刀具有很高的耐磨性。

              2.4 單晶金剛石刀具

              單晶金剛石刀具通常是將金剛石單晶固定在小刀頭上,小刀頭用螺釘或壓板固定在車刀刀桿上。金剛石在小刀頭上的固定方法主要有:機械加固法(將金剛石底面和加壓面磨平,用壓板加壓固定在小刀頭上);粉末冶金法(將金剛石放在合金粉末中,經加壓在真空中燒結,使金剛石固定在小刀頭上);粘結和釬焊法(使用無機粘結劑或其它粘結劑固定金剛石)。由于金剛石與基體的熱膨脹系數相差懸殊,金剛石易松動,脫落。

              3.結語

              目前在金剛石的產業化中還存在一些關鍵問題函待解決,如高速大面積的金剛石厚膜沉積工藝、控制金剛石膜的晶界密度和缺陷密度、金剛石膜的低溫生長,金剛石薄膜與基體結合力弱等。金剛石刀具優異的性能和廣泛的發展前途吸引國內外無數的專家進行研究,有些已經取得了突破性進展,相信不久的將來金剛石刀具將廣泛應用到現代加工中。

             

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