GB/T 43076-2023 CVD金剛石工具分類（正式版）

ICS25.100.99GB/T43076—2023(ISO22180:2019,MOD)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T43076—2023本文件與ISO22180:2019的技術(shù)差異及其原因如下：——更改了本文件范圍的表述(見第1章),以符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的表述方式。本文件由全國(guó)刀具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC1GB/T43076—2023本文件規(guī)定了CVD金剛石工具的分類。本文件適用于CVD金剛石工具。石與釬焊材料結(jié)合。這種釬焊是在真空或保護(hù)氣體環(huán)境中進(jìn)行的。3.2在大多數(shù)情況下，在低壓和沉積溫度為600℃~1000℃的情況下制造金剛石的方法。HPHT合成在大約6GPa的壓力和1400℃~1800℃的溫度下制造金剛石的方法。注：可通過HPHT合成制備單晶。天然或人工合成金剛石制成的切削材料[采用高溫高壓合成(3.3)或采用化學(xué)氣相沉積(3.2)制備]。PCD2GB/T43076—20233.73.83.94CVD金剛石工具的分類具。圖1顯示了CVD金剛石涂層的結(jié)構(gòu)。圖2為CVD金剛石涂層工具的實(shí)例。3GB/T43076—2023圖2CVD金剛石涂層工具實(shí)例CVD金剛石涂層的改進(jìn)見附錄B。4.2CVD金剛石厚膜工具示，金剛石沉積成厚膜后再切成具有幾何結(jié)構(gòu)的刀片。與PCD一樣，通過進(jìn)一步處理，它們作為切削刀片被釬焊到工具載體上(圖4)。與PCD標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——金剛石晶粒；2——晶粒邊界?；w的拋光面。坯料的主要區(qū)別是不需要黏結(jié)劑。圖3CVD厚膜金剛石的結(jié)構(gòu)單晶金剛石(MCD)和聚晶金剛石(PCD)工具的結(jié)構(gòu)和特征見附錄C。圖4CVD厚膜金剛石工具實(shí)例自2005年以來(lái)，低壓合成(CVD工藝)也被用于合成單晶CVD金剛石(CVD-MCD)。這種金剛石改進(jìn)在電子、光學(xué)以及機(jī)械加工技術(shù)方面都有應(yīng)用，如圖3所示。4.3CVD金剛石工具的類別表1所示為常見的CVD金剛石工具的類別。注：CVD金剛石工具的使用并不限于表1所舉的例子。4GB/T43076—2023CVD金剛石工具的類別CVD金剛石涂層工具CVD金剛石厚膜工具厚度(Sp)/μm20～2000基體材料WC-Co硬質(zhì)合金，鈷含量最大為12%。陶瓷為基體材料，主要是硅基陶瓷材料硅可作為一次性使用材料，鉬是常見的可重復(fù)使用的基體材料；另外，鈦或銅合金也是可能采用的基體材料焊料CVD金剛石釬焊材料適用工具鉆頭，絲錐和帶柄銑刀，微型刀具，大直徑工具，用于車削和銑削的刀片用于車削，鉆孔和銑削以及其他旋轉(zhuǎn)工具中的一次性焊接刀片后處理(最終處理)后處理的目的是使刀具具有切削或排屑作用的所適配的切削刃半徑，或在金剛石涂層表面上形成一個(gè)低摩擦系數(shù)的表面一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的表面要求只能通過磨削、研磨和拋光等機(jī)械加工作為最終工序來(lái)滿足”·很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，這類金剛石工具的一個(gè)特點(diǎn)就是只制備二維刃形。目前，金剛石工具也可以形成復(fù)雜或三維的切削刃口。金剛石切削刃口微細(xì)幾何結(jié)構(gòu)可以通過激光加工獲得，或者，對(duì)于導(dǎo)電的CVD金剛石，通過電火花加工(EDM)來(lái)獲得切削刃凸臺(tái)或切屑槽，通過在沉積過程中摻雜硼來(lái)使EDM加工成為可能。CVD金剛石涂層工具的制造工藝見附錄D。5GB/T43076—2023(資料性)制備工藝金剛石的合成CVD技術(shù)可以將金剛石直接沉積在一系列材料和具有幾何結(jié)構(gòu)的基體上。特別是在機(jī)械加工領(lǐng)氣相合成的多晶CVD金剛石通常在1hPa～100hPa的低壓范圍內(nèi)制造。需要等離子體或氣相的熱激活，工業(yè)上常用的CVD金剛石薄膜沉積工藝有熱絲CVD法和大電流電弧等離子體CVD法。對(duì)于CVD金剛石厚膜，通常采用微波或直流激勵(lì)的等離子體工藝。在熱絲CVD金剛石沉積(HFCVD)中，氣相是由鎢、鉭或另一種難熔金屬絲在2000℃~2800℃的溫度下激活的。在等離子體輔助CVD方法(PACVD)中，通常采用微波等離子體(MWPACVD)或直流等離子體(DCPACVD)電弧進(jìn)行氣相活化。待活化的氣相大部分由氫氣加上甲烷或其他碳?xì)浠衔镒鳛樘荚吹幕旌衔锝M成，這種混合物的體積分?jǐn)?shù)在0.5%～5%的范圍內(nèi)。金剛石沉積速率一方面取決于活化工藝和相關(guān)的CVD工藝參數(shù)，另一方面取決于要涂層的材料和基體幾何形狀。在CVD金剛石工具領(lǐng)域，通過等離子體激活方法制造CVD金剛石厚膜時(shí)，沉積速導(dǎo)電性可以通過摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)(導(dǎo)電性導(dǎo)致CVD金剛石可以通過放電加工):在金剛石沉積過程中加入硼。然而，摻雜會(huì)對(duì)用作切削材料的CVD金剛石的切削性能產(chǎn)生一定的影響。6GB/T43076—2023(資料性)CVD金剛石涂層改進(jìn)作為提高CVD金剛石涂層性能的一種方式，根據(jù)VDI2840,CVD涂層技術(shù)提供了各種金剛石涂層改進(jìn)的可能性。不同的改進(jìn)工藝將產(chǎn)生不同的材料性能，從而也就影響著切削刀具的性能。自支撐微米晶薄膜的晶粒具有柱狀結(jié)構(gòu)，并具有較少的晶界，這意味著可以獲得最高的CVD金剛石薄膜質(zhì)量和抗磨性。由于晶粒尺寸較小，納米晶金剛石薄膜的晶界數(shù)量較多(見圖B.1)。圖B.2所示為納米圖B.1CVD金剛石涂層的切削刃(案例)圖B.2硬質(zhì)合金基體和金剛石涂層(案例)如果在涂層過程中交替使用沉積微米晶和納米晶金剛石薄膜的工藝條件，則可獲得與純納米晶金剛石薄膜幾乎相同的表面質(zhì)量的金剛石多層涂層(見圖B.3)。由于任何產(chǎn)生的裂紋都會(huì)沿著單個(gè)膜層傳圖B.3硬質(zhì)合金基體上由各納米晶層和微米晶層組成的金剛石多層膜的斷裂面實(shí)例7GB/T43076—2023(資料性)MCD和PCD工具的結(jié)構(gòu)和特征C.1MCD工具的結(jié)構(gòu)和特征數(shù)十年來(lái)，基于天然金剛石或通過高溫高壓合成(HPHT合成)生產(chǎn)的金剛石工具已成功用于難加工材料加工。這類金剛石工具可以通過各種方法將相對(duì)較大的微晶或所謂的PCD燒結(jié)坯料黏結(jié)到工MCD是單晶金剛石，呈典型的立方、八面體或十二面體形式，可以自然生長(zhǎng)并通過采礦獲得或通過磨削使MCD具有一定的刀刃幾何形狀。在工業(yè)機(jī)械加工中，MCD主要用于精加工工序以獲得最佳的表面質(zhì)量。在光學(xué)部件和高精密機(jī)械零件以及珠寶、塑料、木材和玻璃生產(chǎn)中MCD被廣泛使用。圖C.1顯示了處于原始狀態(tài)和鋸切狀態(tài)的MCD的示例。圖C.2展示了焊接MCD作為車刀的實(shí)物圖。通常，MCD作為切削刃的長(zhǎng)度尺寸在1mm～14mm之間。圖C.1真空釬焊的MCD在原始狀態(tài)和鋸切狀態(tài)下的實(shí)物圖圖C.2焊接的MCD切削刃實(shí)物圖8GB/T43076—2023C.2PCD工具結(jié)構(gòu)和特征C.2.1概述PCD是一種燒結(jié)復(fù)合材料，金剛石晶體分散在黏結(jié)相基體中(見圖C.3)。通過變化黏結(jié)相含量和晶體顆粒度可以獲得系列化不同性能的PCD,從而可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求定制PCD切削材料性能。載體上(見圖C.4)?？梢詫]有硬質(zhì)合金基體的燒結(jié)坯料直接真空釬焊，但這在很大程度上取決于3——PCD;圖C.3PCD工具的結(jié)構(gòu)示意圖圖C.4用硬質(zhì)合金基底釬焊(示例)將MCD和PCD固定到工具上的方法通常以能夠獲得非常好的連接強(qiáng)度為目標(biāo)，然而MCD和PCD制造工藝和材料特性導(dǎo)致其應(yīng)用于復(fù)雜幾何形狀工具時(shí)受限。此外，在某些難加工材料加工9GB/T43076—2023C.2.2CVD金剛石涂層工具具甚至大直徑工具上沉積涂層，可以適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀基體。CVD金剛石涂層刀片可以用于車削和銑削及切割鋸片。制備工藝過程可以分為基體的預(yù)處理、化學(xué)氣相沉積工藝過程和有選擇性地進(jìn)行涂層刀面結(jié)構(gòu)后處理。C.2.3CVD金剛石厚膜工具與含有各種黏合劑的聚晶金剛石不同，無(wú)黏合劑的化學(xué)氣相沉積金剛石具有更高的硬度和耐磨具與化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具相比具有高穩(wěn)定性和相當(dāng)高的磨損儲(chǔ)備量。切削刀片的黏結(jié)強(qiáng)度取決于釬焊質(zhì)量。像聚晶金剛石一樣，這類金剛石工具的特點(diǎn)是它們只能用于二維刃口幾何形狀制造。作為切削刀的微細(xì)幾何結(jié)構(gòu)可以通過激光加工獲得，或者在導(dǎo)電的化學(xué)氣相沉積金剛石中制備，通過放電加工GB/T43076—2023(資料性)化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具的制備D.1化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具的制備化學(xué)氣相沉積金剛石涂層技術(shù)可以經(jīng)濟(jì)高效地將涂層沉積到三維幾何結(jié)構(gòu)上，包括微觀幾何結(jié)構(gòu)以及大面積區(qū)域。盡管較高的沉積溫度(大約600℃~1000℃)使得被涂層的材料選擇有限制，但是可適用于各類具有不同幾何形狀的零件涂層。與等離子體法相比，熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)獲得廣泛應(yīng)硬質(zhì)合金是加工中使用的化學(xué)氣相沉積金剛石刀具最常用的基體材料。通常情況碳化鎢-鈷(WC-Co)硬質(zhì)合金中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過12%才可以沉積金剛石。這個(gè)限制的原因是在化學(xué)氣相沉積金低靠近表面的鈷含量。在選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理技術(shù)和進(jìn)行金剛石涂層工藝優(yōu)化之前有必要了解硬質(zhì)合金的成分和碳化物的顆粒尺寸。預(yù)處理過程產(chǎn)生的特定的表面形貌有助于提升涂層黏附強(qiáng)度。提供化學(xué)氣相沉積金剛石涂層服務(wù)的公司保留著表面預(yù)處理和涂層過程調(diào)試所用的硬質(zhì)合金規(guī)格清單。硬質(zhì)合金生產(chǎn)商可以進(jìn)行硬質(zhì)合金規(guī)格類型改進(jìn)，有規(guī)律地更新和擴(kuò)大清單內(nèi)容。清單上內(nèi)容通?？梢栽诨ヂ?lián)網(wǎng)上獲得，或者可以從涂層公司獲得。甚至有可能開發(fā)出專門用于涂層的微細(xì)和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金產(chǎn)品。通過沉積一層CVD金剛石涂層，可以顯著延長(zhǎng)這類硬質(zhì)兼顧延展性的材料的使用壽命。硅也可以用作基底材料在工業(yè)中制作切割刀片。盡管通過特殊處理可以對(duì)鋼進(jìn)行金剛石涂層，但是需要特別考慮鋼與活化氣相的反應(yīng)、高沉積溫度和熱膨脹系數(shù)差異引起的高殘余應(yīng)力。表D.1是化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具的制造示例。表D.1化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具的制造示例涂層方法薄膜厚膜熱絲金剛石化學(xué)氣相沉積大電流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積等離子體輔助化學(xué)氣相沉積微波等離子體直流等離子體熱絲鎢、鉭或其他難熔金屬熱絲溫度2000℃~2800℃——GB/T43076—2023表D.1化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具的制造示例(續(xù))涂層方法薄膜厚膜熱絲金剛石化學(xué)氣相沉積大電流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積等離子體輔助化學(xué)氣相沉積微波等離子體直流等離子體化學(xué)氣相沉積金剛石的分類微晶、納米晶體和多層結(jié)構(gòu)微晶、多晶(電子和光學(xué)中的應(yīng)用)合成壓力反應(yīng)氣體大氣：水碳源：甲烷或碳?xì)浠衔餄舛龋后w積分?jǐn)?shù)為0.5%～5%沉積速率沉積溫度600℃~1000℃電導(dǎo)率在沉積過程中摻雜硼使電火花加工成為可能基體材料硬質(zhì)合金，硅基陶瓷預(yù)處理(包括強(qiáng)化清洗)在許多情況下，表面粗糙能改善涂層的機(jī)械嵌合或互鎖性能D.2預(yù)處理在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積金剛石過程之前，需要進(jìn)行基體預(yù)處理。預(yù)處理過程至少包括強(qiáng)化清洗。在和/或蝕刻從涂層界面區(qū)域去除鈷黏合劑，因?yàn)樗鼘?duì)金剛石的生長(zhǎng)有不利影響。多數(shù)情況下，最后的預(yù)硬質(zhì)合金的預(yù)處理包括單階段或多階段的機(jī)械、化學(xué)和/或熱處理。在這方面，每個(gè)涂層公司都有致金剛石與硬質(zhì)WC晶?；ユi。噴丸是機(jī)械預(yù)處理的一種常見形式，在預(yù)處理開始時(shí)用于表面平坦化并進(jìn)行切削刃口處理。用于改善金剛石涂層的涂層黏附力的另一種方法是以沉積鈦或硅基涂層作為中間過渡層，從而避免了昂貴且耗時(shí)的硬質(zhì)合金蝕刻處理。D.3后處理對(duì)于帶有確定幾何結(jié)構(gòu)描述的切削刃的工具，直接進(jìn)行CVD金剛石涂層會(huì)導(dǎo)致切削刃變鈍，并且微米晶涂層會(huì)導(dǎo)致較高的表面粗糙度。對(duì)于CVD金剛石工具，刃口鈍化現(xiàn)象不必自動(dòng)視為缺點(diǎn)。未涂層的鋒利刃口工具在使用中很快就會(huì)變鈍，而CVD金剛石涂層工具幾乎在整個(gè)工具壽命中都保持GB/T43076—2023的目的是為工具提供切削或去屑用途所需的切削刃半徑，或在金剛石薄膜的常規(guī)的初始涂層表面上形平滑處理可以改善切屑的形成和切屑的流動(dòng)。D.4金剛石厚膜工具的制備D.4.1概述離子體技術(shù)只能在平坦的基體上沉積金剛石。在沉積CVD金剛石厚膜之后，通常要除去襯底，因此制備的無(wú)黏結(jié)劑多晶金剛石毛坯料可用于進(jìn)一步處理，成為CVD金剛石厚膜工具。方式生長(zhǎng)的金剛石具有微米晶結(jié)構(gòu)。粉末拋光的形式或者通過超聲波清洗池中的金剛石懸浮液的方式在基體上播種金剛石籽晶，從而產(chǎn)生成核點(diǎn)。金剛石的生長(zhǎng)過程與金剛石涂層工具的CVD沉積過程相似。D.4.3切削刀片的準(zhǔn)備將金剛石晶片與基體分離。如果硅被用作基體，則通過蝕刻技術(shù)完成。生長(zhǎng)面在大多數(shù)情況下是通過金剛石磨削完成的，但也可以通過研磨或拋光方法完成。由于加工過程中使用的金剛石晶粒的硬度與金剛石晶片的硬度相當(dāng)，因此加工相對(duì)耗時(shí)且昂貴。切割成一定形狀的毛坯：通常借助于固態(tài)激光器(例如Nd:YAG)將整體晶片切割成具有一定形狀的單獨(dú)的小片料(所謂的毛坯)。自支撐片料就可以立即進(jìn)行安裝使用。用作切削刀具的話，首要任務(wù)是將CVD金剛石切削刀片安裝到合適的工具載體上。清洗CVD金剛石切削刀片和工具載體，將其放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，并借助活性釬焊材料在真空和750℃~900℃的溫度環(huán)境下完成釬焊刀