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无机非金属材料工程导论论文

无机非金属材料导论论文

标题：

高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的研究进展

姓名:

罗  敏  一

学号：

  2010440791 

班级：

无机普2010级01班

高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的研究进展

摘要:

CVD金刚石薄膜涂层刀具制造设备投资小，性能价格比高，极富市场竞争力，因而可成为高效高精度切削加工有色金属及其合金、复合材料和硬脆非金属材料的最理想的新一代刀具材料。

关键词:

CVD金刚石薄膜 涂层刀具 化学气相沉积法 刀具性能

1引言

金刚石薄膜在力学方面具有许多独特的优良性能，它接近天然金刚石的硬度和耐磨性，具有低摩擦系数、低热膨胀系数、高热导率以及高化学稳定性等特性，从而使其在工模具和耐磨器件领域具有广阔的应用前景,已成为理想的刀具材料。

用金刚石刀具切削硅铝合金等硬质材料时具有加工精度高、切削寿命长、切削力小及加工效率高等优点。

随着汽车工业的发展对金刚石刀具需求量越来越大，天然单晶金刚石和人造聚晶金刚石刀具制造工艺复杂成本较高，而用化学气相沉积方法在硬质合金表面生长一层金刚石薄膜制成的刀具具有金刚石的特性，而且制造简单成本较低，是较好的替代品。

目前国内外研究单位都在积极开发金刚石薄膜涂层刀具，但未形成规模生产和应用，原因是涂层工艺基体材料及刀具几何参数还不能保证。

CVD金刚石薄膜涂层刀具是在刀具基体上直接沉积金刚石薄膜，因而适用于制造复杂形状的刀具。

与其他金刚石刀具相比，CVD金刚石薄膜涂层刀具制造设备投资小，性能价格比高，极富市场竞争力，因而可成为高效高精度切削加工有色金属及其合金、复合材料和硬脆非金属材料的最理想的新一代刀具材料。

2 CVD金刚石薄膜涂层刀具制备工艺-化学气相沉积法（CVD）

化学气相沉积（CVD）属于原子沉积类，是利用气态的先驱反应物通过原子、分子间化学反应的途径生成固态涂层的技术。

基于此特点，CVD过程大多在相对较高的压力和较高的沉积温度环境下进行，因为较高的压力有助于提高涂层的沉积速率。

较高的沉积温度可保证化学反应的顺利进行。

CVD涂层工艺温度约为1000℃，结合力可靠，但也带来了一些性能上的缺陷，如刀具切削刃需经过钝化预处理，刀具表面易出现残余拉应力，且不能用于高速钢刀具表面涂层；另外CVD技术的沉积温度太高，超过了许多材料的热处理温度，在这样高的沉积温度下。

镀层和硬质合金基体材料都面临着晶粒长大和失碳问题，从而产生一种或几种复式碳化物，即所谓的η相，且通常生成在涂层和基体的界面特别是刃口上。

这种相很脆，降低硬质合金的抗弯强度，同时增大刃口的脆性，从而导致刀刃在使用过程中过早损坏。

涂层表面状态和切削用量对金刚石薄膜涂层刀具损坏形式有很大影响。

未研磨的金刚石薄膜涂层刀具表面较粗糙，切屑沿前刀面流出时摩擦阻力较大，切削铝合金等时被切削材料容易在前刀面粘附并进而形成较大的积屑瘤，切削过程中积屑瘤频繁脱落，将对金刚石薄膜产生周期性的剥离作用，从而容易使金刚石薄膜从基体剥落。

相反，对金刚石薄膜涂层刀具前刀面进行适当的研磨后，切屑在前刀面的粘附大幅度下降，只在刀刃处有较小的积屑瘤产生，金刚石薄膜涂层刀具的切削性能得到极大提高，可以较高的切削速度进行长时间稳定切削

（图）7切削用量对金刚石薄膜涂层刀具损坏形式的影响

2.1CVD金刚石薄膜涂层刀具原料

硬质合金

硬质合金是由难熔金属碳化物（wc，Tic等）和金属粘结剂（如Co）的粉末高温下烧结而成的，硬质合金可分为WC基和TiC基两大类。

我国最常用的碳化钨基硬质合金有钨钻类和钨钛钴类。

（1）wc—co（YG）类硬质合金，这类合金由wC和Co组成。

常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，含Co量分别为3％、6％、6％、8％，主要用于加工铸铁及有色金属。

（2）wc～Tic—co（YT）类硬质合金，这类合金中的硬质相处wc外，还含有5～30％的TiC。

常用牌号有YT5、YTl4、YTl5及YT30，Tic含量分别为5％、14％、15％和30％，相应的钴含量为10％、8％、6％及4％，主要用于加工钢料。

随着合金成分中Tic含量的提高和co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。

与YG类硬质合金比较，YT类台金的硬度提高了，但抗弯强度、特别是冲击韧性却显著降低。

（3）WC—TiC—Tac（NbC）一Co（YG）类硬质合金，这是在YT类硬质合金成分中加入一定数量的Tac（Nbc），常用牌号有Ywl和Yw2，加入Tac（№c）可提高抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性，这类合金既可加工铸铁和有色金属，也可加工钢，因此常称为通用硬质合金。

以上三类都是wc基硬质合金，在实际生产中较为常用，表1为常用硬质合金的化学成分、机械性能及用途。

2.2CVD金刚石薄膜涂层刀具制造

1）表面预处理

①表面的净化与粗化

基体表面净化、粗化处理的主要目的是清除硬质合金刀具在制造过程中不可避免地残留在基体表面上的污染物、吸附物、氧化物,改变基底表面的微观结构,去除表面附着强度较低的WC颗粒,增加反应气源与基体的接触面积,增加基底表面的表面能,提高金刚石在硬质基体上的成核密度,从而增强膜/基的附着力。

常用方法有:

化学清洗、液体超声清洗、机械研磨微粉镶嵌、液体超声处理等。

②表面植晶处理

表1

由于金刚石的表面能较高,故一般很难在非金刚石基体上形核。

但在基体表面上,采用金刚石粉（金刚石膏）研磨,去除强度不高的WC颗粒,同时利用金刚石粉末研磨基体所产生的种子效应等,都可大大提高金刚石的形核密度。

据报道,采用纳米级的金刚石粉对硬质合金基体进行超声研磨,可获得较高的形核密度（2!

1011cm-2）,从而在很大程度上提高了金刚石薄膜与基体的附着力。

2）去除或稳定刀具基体表面层Co

大量试验的结果表明,硬质合金基体中作为粘结相的Co不仅抑制金刚石的形核和生长,而且还会降低金刚石涂层的质量与基体的附着力。

为了抑制粘结相金属Co的不利影响,国内外进行了大量的试验研究,结果表明,采用酸刻蚀、等离子体刻蚀、化学试剂纯化、等离子体钝化、化学反应置换Co、激光辐照等方法,基本上消除了Co粘结相的不利影响,从而提高了金刚石膜与硬质合金刀具基体的粘结性能。

3）施加中间过渡层

金刚石与大部分基体材料的物理性质差别较大。

为消除薄膜与基底因晶格失配、热膨胀系数差异而造成的内应力,同时阻止在沉积过程中薄膜与基底之间直接发生反应,防止碳过渡渗入基底及Co在沉积温度下从基底深处向表面扩散,从而影响金刚石的生长,可先在基体上生长一层或多层（厚度为0.01~1μm）物理性质介于基体材料与金刚石薄膜之间的过渡层。

在选用中间过渡层时应遵循几点原则:

①热膨胀系数适中,可释放金刚石薄膜与基体之间的热应力;②与金刚石薄膜和硬质合金要有较好的粘结性能;③化学性能稳定,具有一定的机械强度;④能与Co反应生成稳定的化合物,或阻止Co在高温下向涂层扩散,形成一个障碍层。

目前在硬质合金刀具上沉积的过渡层有:

钛粉和金刚石微粉烧结层、铌/银/铌过渡层、钨/金刚石成分梯度层、无序碳过渡层、类金刚石膜、W/WC过渡层等。

虽然过渡层的制备工艺较复杂,但调理合理的过渡材料能较充分地发挥过渡层的功能,改善刀具性能。

国内现状：

我国的镀层技术现今主要还处于较为初级的单一镀层技术层面，缺乏顶尖科技含量的镀层技术。

在镀层材料的深度研究方面有欠缺。

国外现状：

国外，特别是美国等发达国家在这一方面由于占据了相对其他国家较早发展的时机及科技基础雄厚等先天优势，再加之其雄厚的经济基础对科研投入的保证，发展迅速，处于世界领先地位。

其主要优势在发展方向定位的前卫，其实际技术较全面。

由此可见，国内技术较之国外有很大差距，而且是全方位的，我们要尽快追加研究。

3CVD金刚石薄膜涂层刀具具体性能（写3~4种产品的主要性能）

3.1切削性能

切削试验在C616精密车床上进行,改变切削用量,干切削硅铝合金试件,用SRM-1表面粗糙度测量仪检测试件表面形貌和粗糙度,用工具显微镜观测刀具磨损及破损情况,金刚石薄膜一旦脱落就终止切削试验。

干切削含硅量12%～14%的硅铝合金

试验数据如表1所示。

用金刚石薄膜涂层刀具干切削硅铝合金,刀具初期切削时试件表面粗糙度值不稳定,这主要是因为金刚石

颗粒形成的刃口不平造成的,进入刀具正常磨损阶段,试件表面粗糙度值非常稳定,切削路程相当长,具有良好的干切削性能。

对表面粗糙度影响最大的切削用量是进给量f,在较高切削速度的情况下,只要进给量合适则表面粗糙度值变化不大。

因此,加大刀尖圆弧半径rε,进给量f对表面粗糙度的影响会减小。

从图2前刀面积屑瘤照片来看,金刚石涂层刀具在干切削加工铝硅合金的过程中,刀尖的积屑瘤较大。

刃口金刚石晶粒交错,表面有微观不平度,不能和单晶及聚晶金刚石刀具相比,因此容易造成铝嵌入晶粒间。

从另一方面来看,在干切削时存在不同程度的积屑瘤,在不影响表面粗糙度的情况下,积屑瘤还可以保护刀尖,提高刀具的寿命。

刀具磨损过程分析:

观察切削试验的切屑形成和刀具磨损形态（图2）,发现刀片上的薄膜涂层能阻碍和减缓刀具的磨损。

图2

磨损过程的初期,切削刃上凸出的金刚石晶粒起微刃切削作用,形成粉（粒）状切削,工件表面粗糙度值较大。

在刀片正常磨损阶段,能形成C形或短带状切屑,前刀面上形成稳定的积屑瘤,工件表面粗糙度值变化不大,可在较长时间保证刀具切削性能。

当金刚石薄膜脱落后,底层仍然残留细晶粒金刚石层,该金刚石层被磨穿,涂层仍可起边界阻碍作用支撑切削刃进行切削。

3.2金刚石薄膜（涂层）刀具与硬质合金YG6的对比试验

将未经热处理的含硅量24%高硅共晶铸造铝硅圆棒固定在车床上,分别用金刚石薄膜涂层刀片和未涂层的硬质合金（YG6）刀片进行切削。

切削用量为:

v=240m/min,f=0.1mm/r,ap=0.2mm。

试验过程中采用交叉方式,两种刀片交替进行切削,保证在试验过程中的条件完全

相同。

每切削一段时间,取下刀片用万能工具显微镜观察刀片刃口,测量刀片后刀面磨损值

VB（见表2）。

金刚石薄膜（涂层）刀片寿命比基体YG6提高10倍以上,在同等条件下,以VB=0.17为标准,YG6仅切削8s;VB=0.17;金刚石刀具切削174s,VB=0.15,寿命是YG6的22倍。

正常磨损阶段,金刚石薄膜涂层刀具磨损较硬质合金YG6刀具慢,主要是涂层的支撑作用,延缓了刀具的磨损,因此金刚石涂层刀具的寿命更长。

表2

3.2……力学性能

图7是在金刚石薄膜涂层刀具未作任何研磨加工，连续车削合金时，切削速度和切削深度对金刚石薄膜涂层刀具损坏形式的影响。

图中，金刚石薄膜涂层刀具的损坏形式以切削小时范围内金刚石薄膜是否剥落来决定，表示在本实验条件下金刚石薄膜涂层刀具为正常磨损，表示在本实验条件下切削小时范围内金刚石薄膜涂层刀具产生了涂层剥落。

其余切削条件为进给量干式切削。

从图7可以看出，切削速度和切削深度较大时，金刚石薄膜涂层刀具容易发生剥落。

实验观察表明，在实验切削速度范围内，切削过程中均有积屑瘤产生。

显然，切削速度越高，积屑瘤脱落越频繁，对金刚石薄膜产生疲劳性的剥离作用越大，越容易导致金刚石薄膜的剥落。

切削深度增加，一方面使切削力加大，另一方面由于切削区的加大而使积屑瘤体积变大，在积屑瘤脱落时对金刚石薄膜产生的剥离作用增大，从而也容易导致金刚石薄膜的剥落。

4结论

从切削试验看出，用金刚石薄膜涂层刀具干切削硅铝合金刀具初期切削时，试件表面粗糙度值不稳定。

进入刀具正常磨损阶段，表面粗糙度值非常稳定，切削路程相当长，具有较好的干切削性能。

切削用量对表面粗糙度影响较明显的是进给量，切削速度及切削深度影响不大。

在较高切削速度情况下，只要进给量合适，则表面粗糙度值变化不大。

因此，加大刀尖圆弧半径和进给量对表面粗糙度的影响会减小。

从切削参数双因素试验曲线可以看出，只要选择合适的切深和进给参数，就完全可以满足生产工艺要求。

4.1国内外此课题研究（设计）的先进性

国内外现今对此课题的研究已较为深入，对基体材料的使用已达到较为纯熟的阶段。

在进一步研究方向的定位上较为准确，发展潜力巨大。

4.2国内外此课题研究（设计）的局限性

涂层材料可以在多面多角度地研究。

不仅材料本身可以做较大改进性研究（比如掺杂等技术就可运用到研究生产中），技术上也可以做探究性试验，在这一点上，研究空缺较大。

4.3此课题进一步研究（设计）方向

1）由单一涂层技术向多层涂层技术发展；

2）由全面涂层技术向分段涂层技术发展。

4.4针对本课题（设计）我们应怎么做来改善某一方面的问题

确定单一变量，针对此变量设计试验，找出最佳技术途径即可。

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