金剛石復(fù)合刀具

1、天然金剛石Natural Diamond(ND);

2、人造聚晶金剛石Artificial Polvcrystalline Diamond(PCD);

3、人造聚晶金剛石復(fù)合片Polycrystalline Diamond Compact(PDC);化學(xué)氣相沉積涂層金剛石刀具Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools(CVD)。

4、沉積厚度達(dá)100µm的無(wú)襯底純金剛石厚膜Thick Diamond Film(CD);

5、在刀具基體表面直接上沉積厚度小于30µm的金剛石薄膜涂層Coated Thin Diamond Film(CD)。

為天然金剛石拉蔓峰譜，具有以下特征:

(1)1332尖鋒處顯示存在金剛石。

(2)波型幅度(FWHM)為4.1cm-1

顯示為純金剛石。ND是目前已知礦物中最硬的物質(zhì)，主要用于制備刀具車(chē)刀。天然金剛石刀具精細(xì)研磨后刃口半徑可達(dá)0.01~0.002µm。其中天然單晶金剛石(Single Crystalline Diamond，SCD)刀具切削刃部位經(jīng)高倍放大1500倍仍然觀察到刀刃光滑。SCD車(chē)削鋁制活塞時(shí)Ra可達(dá)到4µm，而在同樣切削條件下用PCD刀具加工時(shí)的表面粗糙時(shí)的Ra為15~50µm。故采用SCD刀具配合精密車(chē)床進(jìn)行精密和超精密加工，可獲得鏡面表面。

PCD是高溫超高壓條件下通過(guò)鈷等金屬結(jié)合劑將金剛石微粉聚集燒結(jié)合成的多晶體材料，又稱(chēng)燒結(jié)金剛石。聚晶金剛石刀具整體燒結(jié)成銑刀，用于銑削加工，PCD晶粒呈無(wú)序排列狀態(tài)，屬各向同性，硬度均勻，石墨化溫度為550℃。刀具具有高硬度、高導(dǎo)熱性、低熱脹系數(shù)、高彈性模量和低摩擦系數(shù)。刀刃非常鋒利等特點(diǎn)。

為提高PCD刀片的韌性和可焊性，常將PCD與硬質(zhì)合金刀體做成人造聚晶金剛石復(fù)合刀片(PDc)。即在硬質(zhì)合金基底其表面壓制一層0.5~1mm厚的PCD燒結(jié)而成。復(fù)合刀片的抗彎強(qiáng)度與硬質(zhì)合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)刀具的刃口鋒利性和加工的工件表面質(zhì)量低于ND。同時(shí)其可加工性很差，磨削比小，難以根據(jù)刀頭的幾何形狀任意成形。利用人造聚晶金剛石復(fù)合片只能制備車(chē)刀，還不能制造帶斷屑槽的可轉(zhuǎn)位刀片和復(fù)雜三維曲面幾何形狀的銑刀。

金剛石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金剛石厚膜一次焊接至基體(通常為K類(lèi)硬質(zhì)合金)上，形成復(fù)合片，然后拋光復(fù)合片，二次焊接至刀體上，刃磨成需要的形狀和刃口。如圖3(a)所示，為CVD金剛石厚膜(金剛石膜厚度達(dá)30µm)，具有硬度高、耐磨損、摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。由于金剛石焊接過(guò)程工藝復(fù)雜，CVD金剛石厚膜(TDF)焊接刀具尚未大批量應(yīng)用。

金剛石涂層刀具是用CVD法直接在硬質(zhì)合金(K類(lèi)硬質(zhì)合金)或陶瓷等基體上沉積一層1~25µm金剛石薄膜，無(wú)解理面各向同性。如圖3(b)。薄膜涂層刀具硬度達(dá)9800~10000HV。熱導(dǎo)率高，室溫下導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2000W·m-1·K-1，而硬質(zhì)合金刀具導(dǎo)熱系數(shù)僅為80~100m-1·K-1。CVD方法金剛石可以涂層到任何復(fù)雜形狀的刀具上，這是聚晶金剛石無(wú)法擁有的最顯著的優(yōu)勢(shì)。

立方氮化硼(PCBN)是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的第二種無(wú)機(jī)超硬材料,其硬度略次于金剛石,熱穩(wěn)定性好,耐熱性可達(dá)到1400~1500度,比金剛石的耐熱性(700~800度)幾乎高一倍.立方氮化硼(PCBN)刀具主要適合加工各種黑色金屬及其合金材料;最適合于各種淬硬鋼(碳素工具鋼 軸承鋼 模具鋼 高速鋼)珠光體灰口鑄鐵(釩鈦鑄鐵)冷硬鑄鐵高溫合金(鎳基合金鈷基合金)及表面噴涂堆焊的加工.具有使用壽命長(zhǎng),減少換刀次數(shù),補(bǔ)償停機(jī)所花的時(shí)間,使數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線的高效能得到更充分的發(fā)揮,可以改變傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式(即淬火前用刀具粗加工和淬火后用砂輪精加工的方法),從而能在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行淬火前淬火后的車(chē)削加工(以車(chē)代磨),具有很好的經(jīng)濟(jì)效益.

天然鉆石四方拉絲模

用戶(hù)在選擇和使用金剛石涂層刀具之前，必須了解有關(guān)金剛石涂層刀具的以下幾點(diǎn)常識(shí):

非晶金剛石(也稱(chēng)為類(lèi)金剛石碳--譯注)涂層是采用PVD工藝沉積的一種碳膜。它既具有一部分金剛石的SP3鍵，又具有一部分碳的SP2鍵;其成膜硬度很高，但又低于金剛石膜的硬度;其厚度也比我們通常沉積的金剛石膜要薄一些。加工石墨時(shí)，非晶金剛石涂層刀具的壽命是未涂層硬質(zhì)合金刀具的2-3倍。與之相比，CVD金剛石則是采用CVD工藝沉積的純金剛石涂層，加工石墨時(shí)的刀具壽命是硬質(zhì)合金刀具的12-20倍，從而可減少換刀次數(shù)，提高加工的可靠性和精度一致性。

金剛石由碳原子構(gòu)成。某些材料受熱時(shí)，會(huì)從金剛石中吸出碳原子并在工件中形成碳化物。鐵就是此類(lèi)材料之一。用金剛石刀具加工鐵族材料時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使金剛石中的碳原子擴(kuò)散到鐵中，從而造成金剛石涂層因化學(xué)磨損而提前失效。

重磨和(或)重涂層的金剛石涂層刀具質(zhì)量難以保證由于刀具表面生成的涂層為純金剛石，因此用金剛石磨輪對(duì)刀具進(jìn)行重磨需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。此外，為使金剛石生長(zhǎng)而采用的刀具。制備工藝會(huì)改變刀具表面的化學(xué)特性，由于涂層時(shí)要求對(duì)這種化學(xué)特性進(jìn)行非常精確的控制，因此刀具重新涂層的效果難以得到保證。

與任何其他刀具一樣，金剛石涂層刀具的壽命也各不相同，主要取決于被切削材料、選用的進(jìn)給率和切削速度，以及工件的幾何形狀等。一般來(lái)說(shuō)，加工石墨的金剛石涂層刀具的壽命是未涂層硬質(zhì)合金刀具的10-20 倍，在某些情況下甚至可能更長(zhǎng)。這樣，就能用一把刀具完成幾乎任何加工任務(wù)，無(wú)需因刀具磨損而換刀，避免了加工中斷和重新校準(zhǔn)，從而有可能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守加工。在復(fù)合材料的加工中，也完全可能獲得較長(zhǎng)的刀具壽命。

據(jù)報(bào)道，在加工高密度玻璃纖維、碳纖維和Gl0-FR4等難加工復(fù)合材料時(shí)，金剛石涂層刀具的壽命可高達(dá)未涂層硬質(zhì)合金刀具的70倍。

金剛石涂層的剝落可以預(yù)防涂層剝落是金剛石涂層刀具的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，也是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題(尤其在加工碳纖維之類(lèi)材料時(shí))，會(huì)導(dǎo)致刀具壽命難以預(yù)測(cè)。上世紀(jì)90年代后期，界面化學(xué)特性被確定為是影響金剛石涂層粘附性能的重要因素。通過(guò)選擇兼容性好的硬質(zhì)合金化學(xué)特性、采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理技術(shù)和合理的沉積反應(yīng)條件，就有可能減輕或消除金剛石涂層的剝落，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的磨損模式。在顯微鏡下觀察正常磨損的金剛石涂層刀具，可以發(fā)現(xiàn)，金剛石被穩(wěn)定磨損直至硬質(zhì)合金基體，而沒(méi)有發(fā)生崩刃或剝落。

金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系 數(shù)，以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)?？梢杂糜诜墙饘儆泊嗖牧先缡?、高耐磨材料、復(fù)合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類(lèi)型繁多，性能差異顯著，不同類(lèi)型金剛石刀具的結(jié)構(gòu)、制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域有較大區(qū)別。