金刚石涂层刀具综述

涂层金刚石刀具综述

1 引言

随着汽车、航空和航天等工业的发展，有色金属及合金、纤维增强塑料、纤维增强金属以及石墨、陶瓷等新型先进材料越来越多的应用到这些工业产品中，这对机械加工提出了高效率，高精度等要求，普通刀具已经不能满足需求，而迫切需要一种耐磨性更高、能稳定实现高精、高效、寿命更长的超硬刀具。金刚石涂层刀具因其具有十分接近天然金刚石的硬度和耐磨性、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，成为加工难加工材料的理想刀具。

化学气相沉积（CVD）金刚石问世于20世纪80年代初[1]，1987年美国的Crystallume公司率先在CZ硬质合金刀片上沉积金刚石涂层。1995年瑞士的Sandvik公司与美国的Balzers AG公司合作建立了一条金刚石涂层生产线。1997年日本的刀具公司在北京展出了他们的金刚石涂层刀具。目前，国外已有金刚石涂层的丝锥、钻头、绞刀、立铣刀及可转位刀片等产品出售[2]，很多公司推出了自己的金刚石涂层产品，并且一些产品已进入了商品化阶段，如美国的Norton公司、SP3公司，欧洲的Balzers公司、Cemen Cone公司、Sandivik公司、美国诺顿公司等。图1.1为国外生产的金刚石涂层刀具。

(a) 德国 Emuge Franken 公司产品 (b) 瑞士 Balzers 公司产品

图 1.1 国外公司生产的 CVD 金刚石涂层刀具

CVD金刚石涂层刀具是利用化学气相沉积的方法在韧性好，强度高的硬质合金基体上沉积一定厚度的金刚石薄膜制造而成的。目前金刚石涂层刀具常用的基

体材料为与金刚石的热膨胀系数较为接近的Si3N4系陶瓷和WC系硬质合金。其中Si3N4系陶瓷具有较高的硬度、耐磨性和热稳定性，与金刚石的热膨胀系数最为接近，因此一直被认为是CVD金刚石涂层较为理想的基体材料。但是，由于Si3N4陶瓷本身脆性大，抗冲击性能差，一般认为，Si3N4基金刚石涂层刀具仅宜用于精加工，而不宜进行冲击切削加工。而WC系硬质合金具有较高的硬度和红硬度，韧性较好，其与CVD金刚石涂层的结合，有效解决了传统刀具材料硬度与韧性之间的矛盾，大大提高了硬质合金刀具的切削性能和使用寿命，是当前应用最为广泛的刀具材料[2]。下面主要对硬质合金金刚石涂层刀具技术做一详细综述。

2 金刚石涂层刀具技术研究现状

金刚石涂层是在真空室中采用氢气和具有金刚石结构甲基（—CH3）的分子（如甲烷、丙酮等）的碳源气体形成的。通常，这些气体是以50:1的比例加到真空室中，以氢气为主。研究发现[3-7]，选择具有金刚石结构的分子（如甲烷、丙酮等）为碳源气体，更有利于生成甲基。大量的甲基与衬底表面作用以及它们之间的相互作用，形成碳碳连接的共价键，进而在衬底表面上形成金刚石晶核。在高能粒子的持续作用下，用活性的甲基逐步取代晶核中的氢，不断循环下去就能形成金刚石薄膜，其反应机理如下图：

碳氢化合氢气 化学反应 原子态氢 碳氢化合物活性分解 石墨碳 金刚石 刻蚀 碳氢化合碳氢化合物活性图2.1 金刚石薄膜反应机理

2.1 金刚石薄膜技术

CVD金刚石涂层刀具是利用CVD技术在刀具基体表面沉积一层厚度一般为10~30μm的金刚石薄膜。为了达到高精度机械加工的要求，一般要求薄膜的结构要均匀、缺陷尽可能的少。目前应用较为广泛的化学气相沉积合成金刚石薄膜的方法主要有热丝CVD、微波等离子CVD、直流电弧等离子喷射CVD等。图2.2是热丝CVD法的系统装置图。图2.3为几种常用的 CVD 金刚石膜制备方法的特点比较[8-10]。

图2.2 热丝CVD系统装置图

图2.3 几种常用 CVD 金刚石膜制备方法的特点比较。

常规CVD金刚石薄膜晶粒度较大，表面较粗糙，导致耐用度和寿命下降，也很大程度的影响了切削性能、加工精度和工件表面质量，并且其后续抛光处理很困难。因此，改善常规金刚石薄膜的表面粗糙度和后续抛光技术尤显重要。

从CVD金刚石沉积过程来看，控制沉积工艺参数，如碳源浓度、衬底温度、反应气体、有无偏压等参数都能在一定程度上改善薄膜的表面粗糙度[11]。目前许多研究单位已经利用通过改变金刚石薄膜沉积工艺条件来得到较细颗粒甚至纳米级的金刚石。表面抛光技术是平整优化CVD金刚石薄膜表面，降低薄膜表面粗糙度、减小摩擦和刀具磨损的传统方法。但其适用范围有限，对高硬度、高耐磨性的金刚石薄膜进行抛光工艺难度较大，工艺设备比较复杂，且有可能对金刚石薄膜质量和使用寿命产生不良影响。因此，如何有效减小薄膜表面粗糙度，是降低CVD金刚石薄膜刀具制造成本、实现产业化需要解决的关键问题。

随着CVD沉积金刚石薄膜技术的发展与成熟，微米与纳米金刚石涂层技术应运而生。纳米金刚石薄膜晶粒非常细小，表面光滑，而且纳米金刚石薄膜的硬度比传统金刚石薄膜低10－20%，非常有利于薄膜进行后续抛光。但是纳米金刚石

生长条件非常苛刻，不利于降低成本，为此有研究提出了纳米金刚石-微米金刚石-纳米金刚石的梯度复合涂层，以更好地提高薄膜与硬质合金基体的粘附性和降低薄膜表面粗糙度。

2.2 金刚石薄膜与基体间的附着力问题

金刚石涂层刀具寿命的决定因素是涂层与基体之间的附着力。研究认为[12]，附着力差的原因可归结为三方面：(1)金刚石涂层的形核密度低，使得涂层与基体之间的界面上存在大量孔隙；(2)硬质合金基体中的Co具有催石墨化的作用；(3)金刚石与WC-Co硬质合金热膨胀系数不匹配导致涂层内存在较大的残余应力。

2.2.1 金刚石膜厚度对附着力的影响

选择合适的厚度是金刚石涂层刀具合理性价比的关键。CVD金刚石薄膜太薄，磨损快，刀具使用寿命不高；薄膜太厚，与硬质合金基体的粘附性变差且制造成本增加。黄树涛等人[13]对薄膜厚度对刀具性能的影响进行了研究，结果表明：金刚石薄膜涂层刀具的附着强度随涂层厚度的增加而下降。

2.2.2 CVD金刚石涂层硬质合金刀具的基体预处理技术

对硬质合金基体表面进行预处理主要是抑制钴对金刚石薄膜形核及生长的不利影响，减少石墨或非晶碳的生成；增加基体与反应气源间的接触面积；提高硬质合金的表面活性，减少薄膜与基体间的晶格失配度和热膨胀系数的差异，促进金刚石的成核与生长，提高金刚石薄膜与硬质合金刀片的结合强度，改善金刚石薄膜的质量。

典型的硬质合金表面预处理方法主要有：除去或钝化刀具表面层的粘结相Co、施加过渡层、机械处理等。在实际应用中，为了更好地提高金刚石薄膜与硬质合金基体的结合强度，往往同时综合采用多种表面预处理方法。 1）除去或钝化刀具表面层的粘结相Co

硬质合金中的钴,一方面使硬质合金获得了良好的韧性和抗弯强度,另一方面催化非金刚石碳的形成,影响金刚石晶体的长大,促进金刚石的二次形核,并与金刚石之间形成碳化物的CoC固溶体,从而严重降低了沉积的金刚石薄膜的质量和粘结性能。要增强硬质合金与金刚石薄膜之间的结合力,必须改善其表面物理性能和化学性能。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wfk6.html