金剛石膜在切削刀具中的應(yīng)用

/金剛石膜在切削刀具中的應(yīng)用本文針對金剛石膜（CVD）在切削刀具中的應(yīng)用，討論了金剛石膜焊接復(fù)合刀具對刀體材料要求和制造方法。依據(jù)金剛石良合刀具制造工藝及使用要求，對真空自活性釬焊所用釬料的化學(xué)成分的選擇進(jìn)行了分析，提出了確定活性針料化學(xué)成分的原則及常用針料的化學(xué)成分。0．前言金剛石膜具有硬度高、耐磨損，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。人造金剛石膜的刀具分為兩種類型：金剛石膜涂層刀具，金剛石膜焊接刀具。粘結(jié)力較弱是金剛石涂層刀具最突出的問題。粘結(jié)力較弱的原因有兩個：一是化學(xué)氣相沉積（CVD）附口過程中，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力；二是基體材料存在著很多降低接頭強(qiáng)度的因素。近年來，利用生長基體金屬同金剛石膜的熱膨脹系數(shù)相差較大粘附強(qiáng)度低，在基體上沉積金剛石膜，隨著基體的冷卻，金剛石膜自動脫落，得到獨(dú)立的金剛石厚膜。文獻(xiàn)采納等離子體時流CVD法在Mo基體上沉積金剛石膜，獲得獨(dú)立的金剛石厚膜（0.3—1.3mm）。利用這種膜與刀體材料焊接簾（備切削刀具兼有單晶金剛石刀具和金剛石薄膜涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景極為廣闊的新型刀具。1.金剛石厚膜焊接刀具的制造方法1—1金剛石厚膜的成型由于金剛石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不導(dǎo)電。所以常見的機(jī)械切削、線切割、超聲波加工等工藝方法均不適用于金剛石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金剛石車刀的前角以0為標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)需要可在+5的范圍內(nèi)選取。在強(qiáng)調(diào)車刀的耐磨性和尖刀強(qiáng)度的情況下。也可以采納負(fù)前角（—20左右）。負(fù)后角一般以5為標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)使用條件可在2.5～10范圍內(nèi)選取。由前刀面和后刀面構(gòu)成的鍥角在85以上，可得到高精度的刀尖。1—2刀體材料的性能和焊接作為刀體材料盡管在切削加工中不與被切削體直接接觸，但由于基體要對金剛石膜起支撐作用，因此要求其具有較高的剛性，熱膨脹系數(shù)與金剛石膜相近以及良好的焊接性等。目前常用刀具材料有硬質(zhì)合金（YG3、YG6、YG8等）、陶瓷（Si3N4、A12O3等）、CBN、高速鋼等，硬質(zhì)合金是最有進(jìn)展前途且目前討論最多的刀體材料。硬質(zhì)合金是理想的基本材料，它的硬度高，又因其為燒結(jié)體，紅硬性更好，室溫下硬度一般在HRA83～93之間；500℃以下硬度保持不變?？箟簭?qiáng)度最高可達(dá)到6000MPa，一般為3400～5600MPa；室溫抗彎強(qiáng)度在750～2500MPa之間，彈性模量高，通常為（4～7）105MPa；室溫下剛性較好，無明顯塑變，對金剛石膜可起很好的剛性支撐作用。金剛石厚膜與刀體材料的連接重要有方法兩種：金剛石表面金屬化釬焊法和活性釬料焊法。前者是利用表面處理技術(shù)（如離子束濺射等），在金剛石表面鍍覆金屬（如Ti、Cr等），使其表面具有金屬或類金屬的性能。金屬化的金剛石膜表面對Ag—Cu基針料具有良好的可焊性，可采納金屬間針焊工藝焊接。這種方法需進(jìn)行金剛石膜表面金屬化處理，加添了制備難度。活性釬料焊接法則是在針料中加入適量的能與金剛石膜表面碳原子反應(yīng)生成碳化物的元素，利用針焊過程中碳化物形成元素對金剛石膜待焊表面的活化作用，使針料潤濕金剛石膜實(shí)現(xiàn)其釬焊過程。1—3刀體與基體金屬的連接將得到的金剛石厚膜硬質(zhì)合金復(fù)合刀片連接到基體金屬上，其連接方法大致有以下幾種：⑴釬焊⑵機(jī)械加固⑶樹脂粘接劑連接⑷熱裝壓入。其中，釬焊的方法使用最多。釬焊金剛石厚膜/硬質(zhì)合金復(fù)合刀片使用的釬料就強(qiáng)度來說，一般使用銅基針料、銀基針料等。但考慮到防止氧化的焊接裂紋以削減金剛石向石墨轉(zhuǎn)化的趨勢，盡可能的使用低熔點(diǎn)的釬料為好，重要是使用硬質(zhì)合金針焊專用的銀基針料。為了更好地保護(hù)金剛石不向石墨轉(zhuǎn)化，最好也是在真空或惰性氣氛條件下針焊。1—4金剛石厚膜刀具的刃磨金剛石厚膜刀具的刃磨方法重要有機(jī)械磨削（包括金剛石砂輪磨削和金剛石粉研磨）。熱金屬盤研膳，激光束、離子束加工和等離子體刻蝕等。用金剛石粉研磨效率低，金剛石砂輪磨削效率高，并可采納不同粒度的砂輪進(jìn)行粗加工，是金剛石厚膜刀具獲得較好的表面干凈度。熱金屬盤研磨是在高溫條件下，利用鐵族元素與金剛石反應(yīng)使金剛石石墨化的原理除去金剛石。用此種方法研磨表面粗糙度可達(dá)鏡面水平。用激光對厚膜表面進(jìn)行光整加工，加工效率很高但加工表面質(zhì)量不高，只適合于粗加工和半精加工。2、活性釬料成分選擇活性釬料釬焊法釬焊金剛石與硬質(zhì)合金所用的活性釬料，除要考慮釬料對金剛石膜與硬質(zhì)合金的潤濕條件，還必需考慮接頭應(yīng)力和真空加熱條件下釬料成分的狀態(tài)對釬焊過程的影響。2—1釬料中的基本成分金剛石膜和硬質(zhì)合金都是高硬度高鋼性的材料，兩種材料的線膨脹系數(shù)也有肯定的差別，兩者釬焊界面會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，可能造成金剛石膜開裂和連接界面分別。因此釬料的成分必需在保證強(qiáng)度的條件下，應(yīng)具有肯定的變形本領(lǐng)。Ag—Cu合金不但有較好的強(qiáng)度及對硬質(zhì)合金能很好的濕潤，同時Ag—Cu面心立方的晶格結(jié)構(gòu)使其固浴體合金具有很好的塑性。所以，Ag—Cu合金是金剛石膜與硬質(zhì)合金釬焊首選的基體成分。2—2釬料中的活性成分金剛石膜與一般金屬及其合金之間有很高的界面能，致使金剛石膜不能被一般低溶點(diǎn)合金所浸潤，潤濕性較差。因此必需在釬料中加入一些強(qiáng)碳化物形成元素作為活性金屬，以改善金剛石膜與硬質(zhì)合金之間的潤濕性。但添加強(qiáng)碳化物形成元素也存在肯定的局限性，一方面加入過多的碳化物形成元素就有可能使金剛石膜與釬料間形成過厚的脆性化合物層，影響結(jié)合性能。另一方面為了掌控釬料的熔點(diǎn)必需對釬料中的強(qiáng)碳化物形成元素友情頂?shù)囊?，如Ti、Cr、Zr、V、B、Mo、W等，這些元素的溶點(diǎn)分別為：1672℃、1863℃、1865℃、1929℃、2300℃、2623℃、3387℃。相比較而言，Ti、Cr、Zr、V更適合一些。這些元素少量的加入Ag—Cu基釬料中，一般釬焊溫度可掌控在850℃左右，工藝性能較好。另外，在釬料中胸口少量的IN、SN等低熔點(diǎn)金屬能有效地降低釬料的熔點(diǎn)，但過多則會產(chǎn)生脆化性化合物。同時金剛石膜與刀體材料的焊接是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，釬料中應(yīng)避開含有MN、ZN等蒸汽壓較高的易發(fā)揮元素。上面分別從釬料的熔點(diǎn)、潤濕性、蒸汽壓、熱膨脹，焊后是否生成脆性化合物等方面考慮了釬料中元素的選擇。對活性釬料成分的選擇需要綜合考慮，釬焊金剛石厚膜所添加的強(qiáng)碳化物形成元素多種多樣。目前國內(nèi)外尚未見到商品金剛石焊料，一般由應(yīng)用單位自行配制。有下列一些，Cu—10%Ti，Cu—15%Sn—3%Ti，Ag—15%Ti，Cu—30%Ag—5%Ti，Cu—15%Sn—2%Cr，Cu—1%V，Cu—Au，Ag—30%Cu—4%Ti，Ag—26.5%Cu—3%Ti等釬