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金刚石刀具的制造方法

来源:未知    发布时间:2020-06-03    浏览量:

  

  金刚石刀具的制造方法,随着汽车、航空和航天技术的飞速发展,对材料性能及加工技术的要求日益提高。新型材料如碳纤维增强塑料、颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到广泛应用。这些材料具有强度高、耐磨性好、热膨胀系数小等特性,这决定了对它们进行机加工时刀具的寿命非常短。开发新型耐磨且稳定的超硬切削刀具是许多高校、科研院所和企业研究的课题。

  金(jin)刚(gang)(gang)石集力学、光学、热(re)学、声学、光学等众多优异性能于一身,具(ju)有极高(gao)的(de)硬度,摩(mo)擦系(xi)数小,导热(re)性高(gao),热(re)膨胀系(xi)数和化学惰(duo)性低,是(shi)制(zhi)(zhi)造刀具(ju)的(de)理想材(cai)料。本(ben)文对近年(nian)来金(jin)刚(gang)(gang)石刀具(ju)制(zhi)(zhi)造方(fang)法(fa)的(de)发展作一概述。

  1.金刚(gang)石刀(dao)具的(de)应(ying)用范围

  加(jia)工(gong)铜、锌(xin)、铝等有色(se)金(jin)(jin)(jin)属(shu)(shu)及其合金(jin)(jin)(jin)时(shi),材料易(yi)粘附(fu)刀具(ju),加(jia)工(gong)困(kun)难。利用金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)摩擦系数低、与有色(se)金(jin)(jin)(jin)属(shu)(shu)亲(qin)和力小的特点,金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)刀具(ju)可(ke)有效防止金(jin)(jin)(jin)属(shu)(shu)与刀具(ju)发生粘结。此外(wai),由于金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)弹(dan)性模量大,切(qie)削时(shi)刃部变形(xing)(xing)小,对所切(qie)削的有色(se)金(jin)(jin)(jin)属(shu)(shu)挤压变形(xing)(xing)小,可(ke)使切(qie)削过(guo)程在小变形(xing)(xing)下完(wan)成,从而可(ke)以提高加(jia)工(gong)表面质量。

金刚石刀具

  加工(gong)(gong)(gong)含有大量高硬度质点的难(nan)加工(gong)(gong)(gong)非金属(shu)材(cai)料,如玻璃纤维增强塑料、填硅材(cai)料、硬质碳纤维/环氧树脂复(fu)合材(cai)料时,材(cai)料的硬质点使(shi)刀具(ju)磨损严重,用硬质合金刀具(ju)难(nan)以加工(gong)(gong)(gong),而金刚石(shi)刀具(ju)硬度高、耐(nai)磨性好(hao),因此(ci)加工(gong)(gong)(gong)效(xiao)率高。

  随着现代集成技术的问世(shi),机加工(gong)(gong)向高(gao)(gao)(gao)精度方向发(fa)展,对刀(dao)(dao)具性能(neng)提出(chu)了相当(dang)高(gao)(gao)(gao)的要求。由于金(jin)刚石摩擦系(xi)数(shu)小(xiao)(xiao)、热(re)(re)膨(peng)胀系(xi)数(shu)低、导热(re)(re)率高(gao)(gao)(gao),能(neng)切(qie)下极薄(bo)的切(qie)屑,切(qie)屑容易(yi)(yi)流出(chu),与其(qi)它物质(zhi)的亲和力(li)小(xiao)(xiao),不易(yi)(yi)产生积屑瘤,发(fa)热(re)(re)量(liang)(liang)小(xiao)(xiao),导热(re)(re)率高(gao)(gao)(gao),可以避免(mian)热(re)(re)量(liang)(liang)对刀(dao)(dao)刃和工(gong)(gong)件的影响,因此刀(dao)(dao)刃不易(yi)(yi)钝化,切(qie)削变形小(xiao)(xiao),可以获得(de)较(jiao)高(gao)(gao)(gao)质(zhi)量(liang)(liang)的表面(mian)。

  2.金刚石刀具的制(zhi)造方法(fa)

  目前(qian)金刚(gang)石(shi)(shi)的主要加工方法有以下四种(zhong):薄膜(mo)涂层刀具(ju)、厚膜(mo)金刚(gang)石(shi)(shi)焊(han)接刀具(ju)、金刚(gang)石(shi)(shi)烧结(jie)体(ti)刀具(ju)和单晶金刚(gang)石(shi)(shi)刀具(ju)。

  薄膜涂层刀具(ju)是在刚(gang)性及高温特性好的(de)集体材料上通过化学气相沉积(ji)法(CVD)沉积(ji)金刚(gang)石(shi)薄膜制(zhi)成(cheng)的(de)刀具(ju)。

  由于Si3N4系(xi)(xi)陶瓷(ci)、WC-Co系(xi)(xi)硬(ying)质合金以及(ji)金属(shu)W的(de)热(re)膨胀系(xi)(xi)与金刚石(shi)接近,制膜时产生的(de)热(re)应力小,因(yin)此可作为刀体的(de)基体材料。WC-Co系(xi)(xi)硬(ying)质合金中(zhong),粘结相Co的(de)存在易使金刚石(shi)薄膜与基体之(zhi)间形成石(shi)墨而降低附着强度,在沉(chen)积前需进(jin)行预处(chu)理以消除(chu)Co的(de)影(ying)响(xiang)(一般通过酸(suan)腐蚀去Co)。

  化学(xue)气(qi)(qi)相(xiang)沉积法是采用一(yi)(yi)定的(de)方(fang)法把含有C源(yuan)的(de)气(qi)(qi)体(ti)(ti)激(ji)活(huo),在(zai)(zai)极低的(de)气(qi)(qi)体(ti)(ti)压(ya)强下,使碳原(yuan)子在(zai)(zai)一(yi)(yi)定区域沉积下来,碳原(yuan)子在(zai)(zai)凝聚(ju)、沉积过程中(zhong)形(xing)成金(jin)刚石相(xiang)。目(mu)前用于沉积金(jin)刚石的(de)CVD法主要包括:微波、热灯丝、直(zhi)流电弧喷射法等(deng)。

  金刚(gang)石薄膜(mo)的(de)(de)优点(dian)是可应用于各种(zhong)几何形(xing)(xing)状(zhuang)复杂的(de)(de)刀具(ju)(ju),如(ru)带有(you)切屑的(de)(de)刀片、端铣(xian)刀、铰(jiao)刀及(ji)钻头;可以用来切削(xue)许多非金属材(cai)料,切削(xue)时切削(xue)力小、变形(xing)(xing)小、工(gong)(gong)作(zuo)平稳(wen)、磨损慢、工(gong)(gong)件不易变形(xing)(xing),适用于工(gong)(gong)件材(cai)质(zhi)好、公差(cha)小的(de)(de)精加工(gong)(gong)。主要缺点(dian)是金刚(gang)石薄膜(mo)与基(ji)体的(de)(de)粘接力较差(cha),金刚(gang)石薄膜(mo)刀具(ju)(ju)不具(ju)(ju)有(you)重(zhong)磨性。

  金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)焊接(jie)刀(dao)具(ju)的(de)(de)制作(zuo)过程(cheng)一般包括(kuo):大面积的(de)(de)金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)的(de)(de)制备;将(jiang)金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)切(qie)(qie)成刀(dao)具(ju)需要(yao)的(de)(de)形状尺寸;金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)与(yu)刀(dao)具(ju)基(ji)体(ti)材料(liao)的(de)(de)焊接(jie);金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)刀(dao)具(ju)切(qie)(qie)削刃的(de)(de)研磨(mo)与(yu)抛(pao)光。常用的(de)(de)制备金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)的(de)(de)工艺方法是直(zhi)流等(deng)离(li)子体(ti)射流CVD法。将(jiang)金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)沉(chen)积到WC-Co合金(表面进行镜面加(jia)工)上,在(zai)基(ji)体(ti)的(de)(de)冷却过程(cheng)中,金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)自动脱落。此方法沉(chen)积速度(du)快(最高可达930μm/h),晶(jing)格(ge)之间(jian)结合比较紧密(mi),但是生(sheng)长表面比较粗(cu)糙。金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)硬度(du)高、耐磨(mo)、不导电决定了它的(de)(de)切(qie)(qie)割方法是激(ji)光切(qie)(qie)割(切(qie)(qie)割可在(zai)空(kong)气、氧气和氩气的(de)(de)环境中进行)。采(cai)用激(ji)光切(qie)(qie)割不仅能将(jiang)金刚(gang)(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)切(qie)(qie)割成所(suo)需要(yao)的(de)(de)形状和尺寸,还可以切(qie)(qie)出刀(dao)具(ju)的(de)(de)后角(jiao),具(ju)有切(qie)(qie)缝窄、高效等(deng)优(you)点。

  金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石与一(yi)般的金(jin)(jin)(jin)属及(ji)其合(he)金(jin)(jin)(jin)之间(jian)具有很高的界(jie)面(mian)能,致使金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石不能被一(yi)般的低熔点合(he)金(jin)(jin)(jin)所浸润,可(ke)(ke)焊(han)性极差。目(mu)前主要通过在铜银(yin)合(he)金(jin)(jin)(jin)焊(han)料中添(tian)加强碳化物形(xing)成元素(su)或通过对金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石表面(mian)进行金(jin)(jin)(jin)属化处(chu)理来提高金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石与金(jin)(jin)(jin)属之间(jian)的可(ke)(ke)焊(han)性。

金刚石刀具

  ①活(huo)性钎料法

  焊料(liao)一般用(yong)含Ti的(de)铜(tong)银合金,不加助熔(rong)剂在惰性(xing)气(qi)体或真空(kong)中焊接。常(chang)用(yong)的(de)钎料(liao)成分(fen)Ag=68.8wt%,Cu=26.7wt%,Ti=4.5wt%,常(chang)用(yong)的(de)制(zhi)备方法(fa)是电弧熔(rong)炼法(fa)和粉末冶金法(fa)。Ti作为活性(xing)元素在焊接过程中与C反映生成TiC,可提高(gao)金刚石与焊料(liao)的(de)润(run)湿(shi)性(xing)和粘结强度(du)。加热温度(du)一般为850℃,保(bao)温10分(fen)钟,缓冷以(yi)减(jian)小(xiao)内应(ying)力。

  ②表面(mian)金属化后焊接(jie)

  金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)表面(mian)(mian)的(de)金(jin)(jin)(jin)属(shu)化(hua)是(shi)通过表面(mian)(mian)处理技术在(zai)金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)表面(mian)(mian)镀(du)(du)覆(fu)金(jin)(jin)(jin)属(shu),使其(qi)表面(mian)(mian)具(ju)有(you)(you)金(jin)(jin)(jin)属(shu)或(huo)类金(jin)(jin)(jin)属(shu)的(de)性能。一般是(shi)在(zai)金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)表面(mian)(mian)镀(du)(du)Ti,Ti与(yu)C反(fan)应生(sheng)成(cheng)(cheng)TiC,TiC与(yu)Ag-Cu合金(jin)(jin)(jin)钎料有(you)(you)较好的(de)润湿性和(he)结合强度(du)。目前常(chang)用的(de)镀(du)(du)钛方(fang)(fang)法(fa)有(you)(you):真空物理气相沉积(PVD,主要包(bao)括真空蒸发镀(du)(du)、真空溅射镀(du)(du)、真空离(li)子(zi)镀(du)(du)等),化(hua)学(xue)气相镀(du)(du)和(he)粉(fen)末覆(fu)盖烧结。PVD法(fa)单(dan)次(ci)镀(du)(du)覆(fu)量(liang)低,镀(du)(du)覆(fu)过程中金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)温度(du)低于(yu)500℃,镀(du)(du)层与(yu)金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)之间(jian)是(shi)物理附着、无化(hua)学(xue)冶(ye)金(jin)(jin)(jin)。CVD法(fa)Ti与(yu)金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)发生(sheng)化(hua)学(xue)反(fan)应形成(cheng)(cheng)强力冶(ye)金(jin)(jin)(jin)结合,反(fan)应温度(du)高,损害金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)。金(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)(shi)厚膜刀具(ju)的(de)加工方(fang)(fang)法(fa)有(you)(you):机械磨(mo)削(xue),热金(jin)(jin)(jin)属(shu)盘研(yan)磨(mo),离(li)子(zi)束、激光束和(he)等离(li)子(zi)体刻蚀等。

  将(jiang)金(jin)(jin)刚石(shi)厚膜用滚压研磨(mo)破坏(huai)的方法加工(gong)成(cheng)平均粒(li)(li)度为32~37μm的金(jin)(jin)刚石(shi)晶(jing)(jing)粒(li)(li)或直接利用高(gao)温(wen)高(gao)压法制(zhi)(zhi)得金(jin)(jin)刚石(shi)晶(jing)(jing)粒(li)(li),把晶(jing)(jing)粒(li)(li)粉末堆放到WC-16wt%Co合金(jin)(jin)上,然后用Ta箔将(jiang)其隔离,在5.5GPa、1500℃条件下(xia)烧结60分钟,制(zhi)(zhi)成(cheng)金(jin)(jin)刚石(shi)烧结体,用此(ci)烧结体制(zhi)(zhi)成(cheng)的车刀具有很高(gao)的耐磨(mo)性(xing)。

  单(dan)晶金(jin)刚石刀(dao)具(ju)通常是将(jiang)金(jin)刚石单(dan)晶固(gu)定(ding)(ding)(ding)在(zai)小刀(dao)头(tou)(tou)上(shang),小刀(dao)头(tou)(tou)用(yong)螺钉或压(ya)板(ban)固(gu)定(ding)(ding)(ding)在(zai)车刀(dao)刀(dao)杆上(shang)。金(jin)刚石在(zai)小刀(dao)头(tou)(tou)上(shang)的固(gu)定(ding)(ding)(ding)方法(fa)主(zhu)要有(you):机械加固(gu)法(fa)(将(jiang)金(jin)刚石底面和(he)加压(ya)面磨平,用(yong)压(ya)板(ban)加压(ya)固(gu)定(ding)(ding)(ding)在(zai)小刀(dao)头(tou)(tou)上(shang));粉末(mo)冶(ye)金(jin)法(fa)(将(jiang)金(jin)刚石放在(zai)合金(jin)粉末(mo)中(zhong),经加压(ya)在(zai)真空(kong)中(zhong)烧结(jie),使金(jin)刚石固(gu)定(ding)(ding)(ding)在(zai)小刀(dao)头(tou)(tou)上(shang));粘结(jie)和(he)钎焊法(fa)(使用(yong)无机粘结(jie)剂或其它(ta)粘结(jie)剂固(gu)定(ding)(ding)(ding)金(jin)刚石)。由(you)于金(jin)刚石与基体的热膨胀系数相差(cha)悬(xuan)殊(shu),金(jin)刚石易松动(dong),脱(tuo)落。

  金刚石刀具目前在金刚石的产业化中还存在一些关键问题函待解决,如高速大面积的金刚石厚膜沉积工艺、控制金刚石膜的晶界密度和缺陷密度、金刚石膜的低温生长,金刚石薄膜与基体结合力弱等。金刚石刀具优异的性能和广泛的发展前途吸引国内外无数的专家进行研究,有些已经取得了突破性进展,相信不久的将来金刚石刀具将广泛应用到现代加工中。

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