簡(jiǎn)述金剛石刀具的制造方法及應(yīng)用

1、簡(jiǎn)述金剛石刀具的制造方法及應(yīng)用 隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)材料性能及加工技術(shù)的要求日益提高。新型材料如碳纖維增強(qiáng)塑料、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到廣泛應(yīng)用。這些材料具有強(qiáng)度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小等特性，這決定了對(duì)它們進(jìn)行機(jī)加工時(shí)刀具的壽命非常短。開發(fā)新型耐磨且穩(wěn)定的超硬切削刀具是許多高校、科研院所和企業(yè)研究的課題。 金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等眾多優(yōu)異性能于一身，具有極高的硬度，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性高，熱膨脹系數(shù)和化學(xué)惰性低，是制造刀具的理想材料。本文對(duì)近年來金剛石刀具制造方法的發(fā)展作一概述。1.金剛石刀具的應(yīng)用范圍(1)難加工有色金屬材料的加工加

2、工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時(shí)，材料易粘附刀具，加工困難。利用金剛石摩擦系數(shù)低、與有色金屬親和力小的特點(diǎn)，金剛石刀具可有效防止金屬與刀具發(fā)生粘結(jié)。此外，由于金剛石彈性模量大，切削時(shí)刃部變形小，對(duì)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(zhì)量。(2)難加工非金屬材料的加工加工含有大量高硬度質(zhì)點(diǎn)的難加工非金屬材料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料、填硅材料、硬質(zhì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料時(shí)，材料的硬質(zhì)點(diǎn)使刀具磨損嚴(yán)重，用硬質(zhì)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(xiàn)代集成技術(shù)的問世，機(jī)加工向高精度方向發(fā)展，對(duì)刀具性能提出了相當(dāng)高的要求

3、。由于金剛石摩擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱率高，能切下極薄的切屑，切屑容易流出，與其它物質(zhì)的親和力小，不易產(chǎn)生積屑瘤，發(fā)熱量小，導(dǎo)熱率高，可以避免熱量對(duì)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(zhì)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(jié)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(xué)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(zhì)合金以及金屬W的熱膨脹系與金剛石接近，制膜時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力小，因此可作為刀體的基體材料。WC-

4、Co系硬質(zhì)合金中，粘結(jié)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(qiáng)度，在沉積前需進(jìn)行預(yù)處理以消除Co的影響(一般通過酸腐蝕去Co)。化學(xué)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(qiáng)下，使碳原子在一定區(qū)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(yōu)點(diǎn)是可應(yīng)用于各種幾何形狀復(fù)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(shí)切削力小、變形小、工作平穩(wěn)、磨損慢、工件不易變形，適用于工件材質(zhì)好、公差小的精加工。主要缺點(diǎn)是金剛石薄膜與基體的粘接力較差，金

5、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(jìn)行鏡面加工)上，在基體的冷卻過程中，金剛石膜自動(dòng)脫落。此方法沉積速度快(最高可達(dá)930m/h)，晶格之間結(jié)合比較緊密，但是生長(zhǎng)表面比較粗糙。金剛石膜硬度高、耐磨、不導(dǎo)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(huán)境中進(jìn)行)。采用激光切割不僅能將金剛石

6、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(yōu)點(diǎn)。(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(diǎn)合金所浸潤(rùn)，可焊性極差。目前主要通過在銅銀合金焊料中添加強(qiáng)碳化物形成元素或通過對(duì)金剛石表面進(jìn)行金屬化處理來提高金剛石與金屬之間的可焊性。活性釬料法焊料一般用含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(rùn)濕性和粘結(jié)強(qiáng)度。加熱溫度一

7、般為850，保溫10分鐘，緩冷以減小內(nèi)應(yīng)力。表面金屬化后焊接金剛石表面的金屬化是通過表面處理技術(shù)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(yīng)生成TiC，TiC與Ag-Cu合金釬料有較好的潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)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(fā)鍍、真空濺射鍍、真空離子鍍等)，化學(xué)氣相鍍和粉末覆蓋燒結(jié)。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(xué)冶金。CVD法Ti與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成強(qiáng)力冶金結(jié)合，反應(yīng)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：

8、機(jī)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(jié)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3237m的金剛石晶粒或直接利用高溫高壓法制得金剛石晶粒，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(jié)60分鐘，制成金剛石燒結(jié)體，用此燒結(jié)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(jī)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(jīng)加壓在真空中燒結(jié)，使金剛石固定在小刀頭上);粘結(jié)和釬焊法(使用無機(jī)粘結(jié)劑或其它粘結(jié)劑固定金剛石)。由于金剛石與基體的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，金剛石易松動(dòng)，脫落。3.結(jié)語目前在金剛石的產(chǎn)業(yè)化中還存在一些關(guān)鍵問題函待