相關(guān)金剛石刀具的制造方法與研究

    1 引言
    隨著汽車、航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對材料的性能及加工技術(shù)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，這決定了它在機(jī)加工時刀具的壽命非常短。開發(fā)新型耐磨且穩(wěn)定的超硬切削刀具是許多高校和科研院所研究的課題。
    金剛石集力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)等眾多的優(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。近年來發(fā)展了一些加工方法，本文對當(dāng)前金剛石刀具的制造方法作了一概述。
    2 金剛石刀具的應(yīng)用
    金剛石優(yōu)異性能決定了它在機(jī)加工中的廣泛應(yīng)用。
    加工難加工的有色金屬
    在加工銅、鋅、鋁等有色金屬及其合金時，這些材料粘附刀具，不宜加工。利用金剛石的摩擦系數(shù)低、與有色金屬親和力小而制成的金剛石刀具可防止金屬與刀具粘結(jié)在一起。由于金剛石的彈性模量大，在切削時刃部變形小，對所切削的有色金屬擠壓變形小，使切削過程在小變形下完成，可以提高切削的表面質(zhì)量。
    加工難加工的非金屬材料
    加工含有大量高硬度質(zhì)點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，材料的硬質(zhì)點使刀具的磨損嚴(yán)重，用硬質(zhì)合金刀具難以加工，而金剛石刀具的硬度高、耐磨性好，因此加工效率高。
    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，對刀具性能提出了相當(dāng)高的要求。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。
    3 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。
    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SiN4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，制膜時產(chǎn)生的熱應(yīng)力小，因此可作為刀體的基體材料。WC+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。
    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。
    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，金剛石膜自動脫落。此方法沉積速度快(*高可達(dá)930µm/h)，晶格之間結(jié)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(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。
    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(qiáng)碳化物形成元素或通過對金剛石表面進(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濕性和粘結(jié)強(qiáng)度。加熱溫度一般為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。
    厚膜金剛石刀具的刃磨
    金剛石厚膜刀具的加工方法有: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。
    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32~37µm的金剛石晶�；蛑苯永�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。
    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，脫落。
    4 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(jié)合力弱等。金剛石刀具優(yōu)異的性能和廣泛的發(fā)展前途吸引國內(nèi)外無數(shù)的專家進(jìn)行研究，有些已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，相信不久的將來金剛石刀具將廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代加工中。