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超微细晶粒金刚石涂层机械刀具的最新发展动向
作者:沪马刀具 ‖ 时间:2010-01-16 ‖ 来源:网络 ‖ 点击:

用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石车刀对铝合金工件和其它非铁系金属及其合金工件进行镜面车削,不仅能获得非常平滑光洁的加工表面,而且刀具的使用寿命也很长,其优势是其它车刀无法比拟的。但是,用单晶金刚石和聚晶金刚石很难制成像立铣刀、钻头、丝锥那样的复杂形状刀具。要将金刚石应用于复杂形状刀具,唯一的方法是采用气相合成法(或气相沉积法)在复杂刀具表面涂覆金刚石薄膜涂层。

  1 、金刚石薄膜涂层的涂覆原理

  金刚石薄膜涂层的涂覆原理是以碳氢化合物气体(如甲烷)作为主要原料,以氢气作为载流体,采用等离子CVD法在复杂刀具表面生成金刚石薄膜涂层。提供等离子的方法有直流放电法、微波法、热灯丝法等,在工业应用上,主要采用微波法和热灯丝法。在等离子状态下,碳氢化合物气体的碳原子转变为SP3键结合的金刚石、SP键或SP2键结合的DLC和石墨。DLC、石墨被载流气体氢清除后,只有优质的金刚石沉积在基体表面。金刚石涂层刀具的基体材料需要具有足够的强度,目前采用硬质合金作为基体材料,高速钢、模具钢等都不能作为金刚石涂层的基体材料。

  制造金刚石涂层硬质合金刀具时,刀具的涂前处理十分重要。由于硬质合金中钴的存在会影响金刚石的生成,因此在涂层前要去除硬质合金基体表层中的钴。在涂覆金刚石涂层时,涂层元素与硬质合金基体元素之间不会相互扩散,为了防止涂层与基体结合不牢固,必须将基体表面处理成有一定凹凸的表面。前处理过程要一直持续到金刚石涂覆完全生核为止。金刚石薄膜涂层的质量几乎完全取决于涂前处理质量的优劣。金刚石涂层硬质合金立铣刀的刀尖涂层厚度约为10μm左右。

   2、 超微细结晶金刚石涂层技术的开发

  用传统的气相沉积法涂覆的金刚石涂层的晶粒度约为10μm左右,故涂层表面较为粗糙,不能用于高精加工。用气相沉积法生成的金刚石晶体是以前处理的晶核为基点,生长成为涂层厚度大小的晶粒。因此,如果涂层厚度较小,就能生成微细晶粒的涂层。但是,金刚石涂层本身需要具有必要的强度,因此希望涂层厚度在10μm以上。通过适当组合涂前处理与等离子工艺条件,就能获得超微细晶粒的金刚石涂层。

  3 、超微细晶粒金刚石涂层刀具的切削性能

  (1)金刚石涂层立铣刀

  过去,金刚石涂层立铣刀仅用于石墨的切削加工。用金刚石涂层刀具加工铝合金能充分发挥其优良的切削性能。但由于普通晶粒金刚石涂层表面较粗糙,按表1切削条件立铣特超级硬铝时难以获得优良的加工表面;而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀则能获得优良的加工表面;用未涂层的立铣刀也可以获得类似的加工表面。

   表1 铝合金的切削条件
   切削刀具:φ6mm2刃硬质合金立铣刀
   工件材料:A7075特超级硬铝
   切削速度:9400m/min(12700r/min)
   进给速度:1270mm/min(0.05mm/齿)
   切削深度:AD=10mm;RD=0.1mm
   切削液:浮状冷却液

  如金刚石的晶粒直径较大,铝会因摩擦挤压而粘着在晶粒之间的空隙处,使刀具寿命缩短,很难进行干式切削加工。如果使用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀,可以避免产生铝粘着现象,就能实现干式切削,并可获得很长的刀具使用寿命。
按表2条件切削ADC12铝压铸件,用普通晶粒金刚石涂层立铣刀切削3.5m时,铝屑堵塞了排屑槽而无法继续切削;而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀加工8.75m时,仅可见到极少的铝粘附,仍可继续进行切削。


   表2 铝压铸件的切削条件
   切削刀具:φ10mm2刃硬质合金立铣刀
   工件材料:ADC12铝压铸件
   切削速度:300m/min
   进给速度:1000mm/min(0.05mm/齿)
   切削深度:AD=8mm;RD=2.5mm
   切削液:风冷

  由于超微细晶粒化,提高了金刚石涂层自身的韧性。用表2条件加工铝压铸件,用普通晶粒金刚石涂层立铣刀加工1108m时,刀尖圆弧刃涂层大片剥落而达到使用寿命的磨损状态;而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀加工1108m时,切削刃毫无损伤。上述结果证明了超微细晶粒金刚石涂层立铣刀的优势,扩展了被加工材料范围,探索到了其适当的用途。

   用R5金刚石涂层球头立铣刀加工金属基复合材料(MMC)(圆周速度:8000/min,进给量:2000mm/min,切深:AD=1mm,pf=0.5mm;干式切削)的实例:MMC(SiC20%-Al)是在铝基中含有大量陶瓷类硬粒子的铝合金,这些硬粒子加速了刀尖磨损,属超难切削铝复合材料。使用通用TiAlN涂层立铣刀切削20m左右后,刀尖磨损极大而无法继续切削;而用超微细晶粒金刚石涂层立铣刀切削加工200m以上时,刀尖的磨损却很轻微。

  使用在F2139刀体上装有涂覆了超微细晶粒金刚石涂层圆刀片的立铣刀铣削电火花加工用电极的实例:用普通立铣刀加工39分钟后切削刃崩损而达到使用寿命;与此相反,超微细晶粒金刚石涂层立铣刀的使用寿命则达到了400分钟。

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