随着汽车、航空、航天等工业的高速发展,对用于加工各种高性能材料的切削刀具的要求日益提高,PCD刀具、金刚石刀具等新型刀具先后应运而生。PCD刀具的使用性能虽然较传统的硬质合金刀具有了显著提高,并已在机械加工中得到广泛应用,但在许多加工场合仍不能完全满足对加工效率及工件表面完整性的要求。此外,由于PCD材料是由金刚石颗粒与结合相组成,其刃口特性不甚理想,也限制了PCD刀具的进一步发展。CVD金刚石自八十年代研制成功以来,其在机械加工方面的应用研究已取得明显进展,并逐渐进入商品化应用阶段。但目前有关CVD金刚石刀具耐磨性的研究仍不够充分。
CVD金刚石的特点
CVD金刚石是采用化学气相沉积工艺生成的一种纯金刚石多晶材料,通常可分为厚度50µm以下的金刚石薄膜涂层和厚度100µm以上甚至达数毫米的金刚石厚膜两大类。CVD金刚石具有优异的光学、热学、声学、电子学及力学特性。CVD金刚石薄膜涂层可用于钻头、铰刀、带断屑槽的机夹刀片等的表面镀膜处理。CVD金刚石厚膜的耐磨层较厚,目前常用的制膜工艺是先将金刚石沉积在Si、Si3N4、WC等过渡材料上,然后通过磨削和酸蚀去除过渡材料获得金刚石厚膜,最后将金刚石厚膜焊接在基体材料上,制成车刀、镗刀等简单刀具,其制造工艺与PCD刀具基本相同。
与PCD材料相比,CVD金刚石具有以下特点:
1纯度高
PCD 材料中所含的Co使其具有较强的抗碎裂和抗断裂性能,但Co的存在降低了PCD的硬度,且在高温条件下将加快金刚石向石墨转化和氧化。CVD金刚石为纯金刚石,不含任何添加复合材料,因此具有比PCD更高的硬度、热导率、致密性、刃口锋利性、耐磨性、耐高温性、化学稳定性、非导电性以及更低的摩擦系数。
金刚石颗粒的大小是决定PCD材料性能的重要因素,粗粒PCD刀具耐磨性较好,但切削刃较粗糙;细粒PCD刀具刃口锋利,易加工出良好的零件表面纹理,但耐磨性稍差。CVD金刚石因不含结合相,属连续性材料,其性能几乎不受内部金刚石晶粒大小的影响。
2各向同性
CVD金刚石与PCD材料一样为多晶材料,其内部晶粒不具有方向性,因此在制作切削刀具时可任意取向,不受晶体特性影响,这是与天然单晶金刚石的不同之处。
3可制作较大面积的膜层材料
CVD金刚石通常沉积在硬质合金或陶瓷基片上,由于采用低压沉积工艺,因而容易生成较大面积(f100mm以上)的金刚石膜,使CVD金刚石在尺寸及形状方面具有更大的应用灵活性。