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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)刚石集力学(xue)、光学(xue)、热(re)学(xue)、声(sheng)学(xue)、光学(xue)等众多优异(yi)性能于一身,具(ju)(ju)有(you)极高的(de)硬(ying)度,摩擦系数小,导热(re)性高,热(re)膨胀系数和化学(xue)惰性低,是制造刀具(ju)(ju)的(de)理想材料。本文对近年来金(jin)刚石刀具(ju)(ju)制造方法的(de)发(fa)展作一概述。

  1.金刚石刀(dao)具的应用范(fan)围

  加(jia)工铜、锌(xin)、铝(lv)等有(you)(you)色(se)金(jin)属(shu)及其合金(jin)时(shi),材料易粘(zhan)附(fu)刀具,加(jia)工困难。利(li)用金(jin)刚(gang)石(shi)摩(mo)擦系(xi)数(shu)低、与有(you)(you)色(se)金(jin)属(shu)亲(qin)和力小(xiao)的特点(dian),金(jin)刚(gang)石(shi)刀具可(ke)(ke)有(you)(you)效防(fang)止金(jin)属(shu)与刀具发生粘(zhan)结(jie)。此外,由于金(jin)刚(gang)石(shi)弹性模量大,切(qie)削时(shi)刃部(bu)变形(xing)小(xiao),对所切(qie)削的有(you)(you)色(se)金(jin)属(shu)挤压变形(xing)小(xiao),可(ke)(ke)使切(qie)削过程(cheng)在(zai)小(xiao)变形(xing)下完(wan)成(cheng),从而可(ke)(ke)以提高加(jia)工表面质量。

金刚石刀具

  加工含有大量(liang)高硬(ying)度质点(dian)(dian)的难加工非金(jin)(jin)属材(cai)料(liao),如玻璃(li)纤维增强塑(su)料(liao)、填硅材(cai)料(liao)、硬(ying)质碳纤维/环氧树脂(zhi)复合(he)材(cai)料(liao)时,材(cai)料(liao)的硬(ying)质点(dian)(dian)使刀(dao)具(ju)磨损(sun)严(yan)重,用硬(ying)质合(he)金(jin)(jin)刀(dao)具(ju)难以加工,而金(jin)(jin)刚石刀(dao)具(ju)硬(ying)度高、耐磨性好,因(yin)此加工效率高。

  随着现代(dai)集成技术的(de)问世(shi),机加工(gong)向高(gao)(gao)精度方向发展,对刀(dao)具性(xing)能(neng)(neng)提出(chu)了相当高(gao)(gao)的(de)要求。由于(yu)金刚(gang)石摩擦系数小(xiao)(xiao)、热(re)膨胀系数低、导(dao)热(re)率高(gao)(gao),能(neng)(neng)切(qie)下极薄的(de)切(qie)屑,切(qie)屑容易(yi)流(liu)出(chu),与其它物质的(de)亲和力(li)小(xiao)(xiao),不(bu)易(yi)产生(sheng)积屑瘤,发热(re)量小(xiao)(xiao),导(dao)热(re)率高(gao)(gao),可以避免热(re)量对刀(dao)刃和工(gong)件的(de)影响,因此刀(dao)刃不(bu)易(yi)钝(dun)化,切(qie)削变形小(xiao)(xiao),可以获得较高(gao)(gao)质量的(de)表面。

  2.金刚石刀具的(de)制造方(fang)法(fa)

  目前金(jin)刚石的主要加工方法有(you)以下四种:薄(bo)膜涂(tu)层刀(dao)具(ju)(ju)、厚膜金(jin)刚石焊接刀(dao)具(ju)(ju)、金(jin)刚石烧结体刀(dao)具(ju)(ju)和单(dan)晶金(jin)刚石刀(dao)具(ju)(ju)。

  薄膜涂层刀具是(shi)在刚性(xing)及(ji)高温特性(xing)好(hao)的(de)集体(ti)材料上(shang)通过化学(xue)气相沉积(ji)(ji)法(CVD)沉积(ji)(ji)金(jin)刚石薄膜制成的(de)刀具。

  由(you)于Si3N4系(xi)陶瓷(ci)、WC-Co系(xi)硬质合(he)金以及(ji)金属(shu)W的(de)热膨(peng)胀系(xi)与金刚石(shi)接近,制膜时产生的(de)热应力小,因此可作为刀体的(de)基体材料。WC-Co系(xi)硬质合(he)金中,粘结(jie)相(xiang)Co的(de)存在易使金刚石(shi)薄膜与基体之间形成石(shi)墨而降低附着强度,在沉积前需(xu)进行预处理以消除Co的(de)影响(一般通(tong)过酸腐蚀去(qu)Co)。

  化学气(qi)相沉(chen)积(ji)(ji)法是(shi)采用一(yi)(yi)定(ding)的方(fang)法把(ba)含有C源的气(qi)体(ti)激(ji)活(huo),在(zai)极(ji)低的气(qi)体(ti)压强下,使(shi)碳原子在(zai)一(yi)(yi)定(ding)区域沉(chen)积(ji)(ji)下来,碳原子在(zai)凝聚(ju)、沉(chen)积(ji)(ji)过程中(zhong)形成金刚石相。目前用于沉(chen)积(ji)(ji)金刚石的CVD法主(zhu)要包括:微波、热灯(deng)丝(si)、直流电(dian)弧喷(pen)射法等。

  金刚石薄(bo)膜(mo)(mo)的(de)优点是(shi)(shi)可(ke)应用(yong)于各种几何形(xing)状复杂(za)的(de)刀(dao)(dao)具,如(ru)带有(you)切屑的(de)刀(dao)(dao)片(pian)、端铣(xian)刀(dao)(dao)、铰刀(dao)(dao)及钻(zuan)头;可(ke)以用(yong)来切削(xue)许多非(fei)金属材料,切削(xue)时(shi)切削(xue)力(li)小(xiao)、变(bian)形(xing)小(xiao)、工(gong)作平稳(wen)、磨损慢、工(gong)件不易变(bian)形(xing),适用(yong)于工(gong)件材质好、公(gong)差(cha)小(xiao)的(de)精加工(gong)。主要(yao)缺点是(shi)(shi)金刚石薄(bo)膜(mo)(mo)与(yu)基体的(de)粘接力(li)较差(cha),金刚石薄(bo)膜(mo)(mo)刀(dao)(dao)具不具有(you)重磨性。

  金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)(mo)焊(han)接刀(dao)具的(de)(de)制作(zuo)过程一(yi)般包括(kuo):大面积的(de)(de)金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)制备;将(jiang)金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)切成刀(dao)具需要(yao)的(de)(de)形(xing)状(zhuang)尺寸(cun)(cun);金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)(mo)与刀(dao)具基体材料的(de)(de)焊(han)接;金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)(mo)刀(dao)具切削(xue)刃的(de)(de)研磨(mo)与抛光(guang)。常用(yong)的(de)(de)制备金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)工艺方(fang)法是(shi)直流等离子体射流CVD法。将(jiang)金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)沉积到WC-Co合金(jin)(jin)(jin)(jin)(表面进行镜面加(jia)工)上,在(zai)基体的(de)(de)冷(leng)却过程中,金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)自动脱落。此方(fang)法沉积速度快(kuai)(最高可达930μm/h),晶格之间结合比(bi)较紧密,但是(shi)生长表面比(bi)较粗糙。金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)硬度高、耐磨(mo)、不(bu)导电(dian)决定了(le)它的(de)(de)切割(ge)方(fang)法是(shi)激光(guang)切割(ge)(切割(ge)可在(zai)空气(qi)、氧气(qi)和氩气(qi)的(de)(de)环境中进行)。采(cai)用(yong)激光(guang)切割(ge)不(bu)仅能将(jiang)金(jin)(jin)(jin)(jin)刚(gang)石(shi)(shi)厚膜(mo)(mo)(mo)(mo)切割(ge)成所(suo)需要(yao)的(de)(de)形(xing)状(zhuang)和尺寸(cun)(cun),还可以切出刀(dao)具的(de)(de)后(hou)角,具有切缝窄、高效等优点。

  金(jin)刚(gang)(gang)石与一(yi)(yi)般(ban)的(de)(de)金(jin)属及其合(he)(he)(he)金(jin)之(zhi)间具有很高的(de)(de)界面能(neng),致(zhi)使金(jin)刚(gang)(gang)石不能(neng)被一(yi)(yi)般(ban)的(de)(de)低熔点合(he)(he)(he)金(jin)所浸润,可焊性极差。目(mu)前(qian)主要通过在铜银合(he)(he)(he)金(jin)焊料中添(tian)加(jia)强碳化物形(xing)成元素或通过对金(jin)刚(gang)(gang)石表面进(jin)行金(jin)属化处理来提高金(jin)刚(gang)(gang)石与金(jin)属之(zhi)间的(de)(de)可焊性。

金刚石刀具

  ①活性钎(qian)料法

  焊(han)料一(yi)般用含(han)Ti的(de)铜银合金(jin),不(bu)加助熔剂在惰(duo)性(xing)气体(ti)或真(zhen)空中焊(han)接。常(chang)用的(de)钎(qian)料成(cheng)分Ag=68.8wt%,Cu=26.7wt%,Ti=4.5wt%,常(chang)用的(de)制备方法(fa)是(shi)电(dian)弧熔炼法(fa)和(he)粉末冶金(jin)法(fa)。Ti作为活性(xing)元素在焊(han)接过程中与C反映生成(cheng)TiC,可提高金(jin)刚石与焊(han)料的(de)润湿(shi)性(xing)和(he)粘结强度。加热温(wen)度一(yi)般为850℃,保温(wen)10分钟,缓冷以(yi)减小内(nei)应力。

  ②表面金属化后焊接

  金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)表(biao)面的(de)(de)(de)金(jin)(jin)属化是(shi)(shi)通(tong)过表(biao)面处理技术在金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)表(biao)面镀(du)覆(fu)金(jin)(jin)属,使(shi)其表(biao)面具有(you)金(jin)(jin)属或类金(jin)(jin)属的(de)(de)(de)性(xing)能。一(yi)般是(shi)(shi)在金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)表(biao)面镀(du)Ti,Ti与C反(fan)应(ying)生成TiC,TiC与Ag-Cu合(he)金(jin)(jin)钎料有(you)较好的(de)(de)(de)润湿性(xing)和(he)结合(he)强(qiang)(qiang)度。目前常(chang)用的(de)(de)(de)镀(du)钛方法有(you):真(zhen)空(kong)物理气(qi)相沉积(PVD,主要包(bao)括真(zhen)空(kong)蒸发镀(du)、真(zhen)空(kong)溅(jian)射镀(du)、真(zhen)空(kong)离(li)子镀(du)等),化学(xue)(xue)气(qi)相镀(du)和(he)粉末覆(fu)盖烧(shao)结。PVD法单(dan)次镀(du)覆(fu)量低(di),镀(du)覆(fu)过程中金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)温度低(di)于500℃,镀(du)层与金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)之间是(shi)(shi)物理附(fu)着(zhe)、无化学(xue)(xue)冶金(jin)(jin)。CVD法Ti与金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)发生化学(xue)(xue)反(fan)应(ying)形成强(qiang)(qiang)力冶金(jin)(jin)结合(he),反(fan)应(ying)温度高(gao),损害金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)。金(jin)(jin)刚(gang)(gang)石(shi)厚膜(mo)刀(dao)具的(de)(de)(de)加工方法有(you):机械磨(mo)削,热金(jin)(jin)属盘研磨(mo),离(li)子束(shu)(shu)、激光束(shu)(shu)和(he)等离(li)子体(ti)刻蚀等。

  将(jiang)金刚(gang)石(shi)(shi)厚膜用滚压研磨破坏的(de)方法加(jia)工成(cheng)平(ping)均(jun)粒(li)度为32~37μm的(de)金刚(gang)石(shi)(shi)晶(jing)粒(li)或(huo)直接利用高(gao)温高(gao)压法制得金刚(gang)石(shi)(shi)晶(jing)粒(li),把晶(jing)粒(li)粉末堆放到(dao)WC-16wt%Co合(he)金上,然后用Ta箔将(jiang)其隔离(li),在5.5GPa、1500℃条件下烧(shao)结60分钟,制成(cheng)金刚(gang)石(shi)(shi)烧(shao)结体,用此烧(shao)结体制成(cheng)的(de)车(che)刀具有很高(gao)的(de)耐(nai)磨性。

  单(dan)(dan)晶金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)通常(chang)是将(jiang)金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)单(dan)(dan)晶固(gu)定(ding)(ding)在(zai)小刀(dao)(dao)(dao)头(tou)上(shang)(shang),小刀(dao)(dao)(dao)头(tou)用(yong)螺钉或压板(ban)固(gu)定(ding)(ding)在(zai)车刀(dao)(dao)(dao)刀(dao)(dao)(dao)杆(gan)上(shang)(shang)。金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)在(zai)小刀(dao)(dao)(dao)头(tou)上(shang)(shang)的固(gu)定(ding)(ding)方法主要有:机(ji)械加(jia)固(gu)法(将(jiang)金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)底面和加(jia)压面磨平,用(yong)压板(ban)加(jia)压固(gu)定(ding)(ding)在(zai)小刀(dao)(dao)(dao)头(tou)上(shang)(shang));粉末(mo)冶金(jin)法(将(jiang)金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)放在(zai)合金(jin)粉末(mo)中(zhong),经加(jia)压在(zai)真空(kong)中(zhong)烧结,使金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)固(gu)定(ding)(ding)在(zai)小刀(dao)(dao)(dao)头(tou)上(shang)(shang));粘(zhan)结和钎焊(han)法(使用(yong)无机(ji)粘(zhan)结剂或其它粘(zhan)结剂固(gu)定(ding)(ding)金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi))。由于金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)与基体的热膨胀系数相差悬殊,金(jin)刚(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)易(yi)松动,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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