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金刚石薄膜涂层刀具

关注:1910     发表时间:2017-04-29 13:39:11

金刚石具有硬度高、耐磨性好、摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数低和电绝缘性等特性,是加工刀具的理想材料。金刚石薄膜涂层刀具便是利用低压化学气相沉积技术(CVD)在韧性好、强度高的硬质合金基体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜制造而成的,兼具了硬质合金与金刚石薄膜的性能的超硬材料刀具。这种金刚石薄膜涂层刀具的合成工艺简单,质量易于控制,成本低廉,并且可在形状复杂的基体表面大面积沉积高质量金刚石膜,极富市

金刚石薄膜作为刀具涂层,首先要求薄膜有较高的质量,主要体现在薄膜的结构要均匀,缺陷尽可能少,尤其是裂纹。裂纹的存在不仅对刀具的性能产生不良的影响,还会严重缩减刀具的使用寿命。目前,经过几十年的发展,已经研究出多种化学气相沉积法,目前应用较为广泛的主要由热丝CVD法、微波等离子CVD法、直流电弧等离子喷射CVD法。虽然金刚石薄膜沉积机理等问题尚未完全认识,但在各种基体上沉积金刚石膜技术已经在一定程度上达到了成熟,并能够通过改变工艺条件在各种基体上得到结构均匀、性能优良的金刚石薄膜。

其次,金刚石涂层刀具的刃磨问题也是限制其应用的关键问题。由于化学气相沉积得到的是较粗颗粒的金刚石,故在成刀后需要对其刃磨,以保证高精度切削。刃磨不仅工艺复杂,并且在刃磨过程中也很容易对金刚石薄膜的质量和使用寿命产生不良影响。目前已有研究单位利用改变金刚石薄膜沉积工艺条件来得到较细颗粒甚至纳米级的金刚石。小颗粒的金刚石在成刀后不需刃磨,即降低了刀具制造成本,也降低了刃磨对刀具的不利影响。

第三,金刚石薄膜与硬质合金基体之间的附着力也是金刚石涂层刀具应用的关键技术问题。在机械加工过程中,金刚石薄膜与基体之间的附着力过小,则在切削里的作用下(特别是在高速重负荷切削中),CVD金刚石薄膜会过早的从刀具基体上剥离,极大的降低了CVD金刚石涂层刀具的使用寿命及切削性能。为了提高金刚石涂层与硬质合金基体间的附着力,发展了许多硬质合金基体的预处理方法,包括酸液侵蚀或等离子体刻蚀去除钴,在金刚石薄膜和硬质合金基体之间施加各种过渡层,以及机械或化学热处理。

对于金刚石薄膜刀具的结构来说,其厚度是有一定的临界值的。薄膜太薄,磨损快,刀具使用寿命不长;太厚则与硬质合金基体的粘附性变差且制造成本增加。从提高附着强度的角度考虑,金刚石薄膜涂层厚度不宜超过10μm。另外,薄膜表面的粗糙度也是影响切削性能的关键因素,它决定着加工工件的精度。采用细颗粒甚至纳米级的金刚石与硬质合金基体进行连接,提高薄膜与基体的结合力的同时,也可降低薄膜表面的粗糙度。

金刚石涂层硬质合金刀具的各种优点,使其在机械加工领域有极大的应用市场。由于目前金刚石涂层硬质合金刀具的一些技术和市场方面的原因,其市场规模还不理想。但是可以预见,随着未来的技术进步和相关应用领域,特别是汽车、航空航天、集成电路板卡和其他摩擦磨损应用的扩大,金刚石涂层硬质合金刀具的市场前景将不可限量。

整理自赵志岩&@%FwG122*邓福铭等.CVD金刚石涂层刀具研究与应用前景[J].硬质合金&@%FwG122*2009&@%FwG122*12:246~250.


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