图层金刚石教材

课题：涂层金刚石刀具姓名:指导老师：涂层金刚石刀具一、涂层金刚石刀具出现的历史背景二、涂层金刚石刀具的含义及其组成三、涂层金刚石刀具的发展研究现状四、涂层金刚石刀具的发展前景展望一、涂层金刚石刀具出现的历史背景随着汽车、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但材料添加了硬质耐磨颗粒作为强化剂，这无疑增加了这些材料加工难度，这些硬质颗粒会造成刀具过早磨损产生大量切削热。一、涂层金刚石刀具出现的历史背景因此，多数刀具用户认为，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。一、涂层金刚石刀具出现的历史背景金刚石刀具的分类：（一）聚晶金刚石(PCD)刀具PCD是高温超高压条件下通过钴等金属结合剂将金刚石微粉聚集烧结合成的多晶体材料，又称烧结金刚石。聚晶金刚石刀具整体烧结成铣刀，用于铣削加工，PCD晶粒呈无序排列状态，属各向同性，硬度均匀，石墨化温度为550℃。刀具具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数。刀刃非常锋利等特点。（二）人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具为提高PCD刀片的韧性和可焊性，常将PCD与硬质合金刀体做成人造聚晶金刚石复合刀片(PDc)。即在硬质合金基底其表面压制一层0.5～1mm厚的PCD烧结而成。复合刀片一、涂层金刚石刀具出现的历史背景的抗弯强度与硬质合金基本一致，硬度接近PCD，故可以替代PCD使用。PCD及人造聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的刃口锋利性和加工的工件表面质量低于ND。同时其可加工性很差，磨削比小，难以根据刀头的几何形状任意成形。目前利用人造聚晶金刚石复合片只能制备车刀，至今还不能制造带断屑槽的可转位刀片和复杂三维曲面几何形状的铣刀。（三）CVD金刚石厚膜(TDF)焊接刀金刚石厚膜焊接刀具是把激光切割好CVD金刚石厚膜一次焊接至基体(通常为K类硬质合金)上，形成复合片，然后抛光复合片，二次焊接至刀体上，刃磨成需要的形状和刃口。（四）金刚石涂层刀具金刚石涂层刀具是用CVD法直接在硬质合金(K类硬质合金)或陶瓷等基体上沉积一层1～25mm金刚石薄膜，无解理面各向同性。薄膜涂层刀具硬度达9800～10000HV。热导率高，室温下导热系数高达2000W·m-1·K-1，而硬质合金刀具导热系数仅为80～100m-1·K-1。CVD方法金刚石可以涂层到任何复杂形状的刀具上，这是聚晶金刚石无法拥有的最显著的优势。一、涂层金刚石刀具出现的历史背景二、涂层金刚石刀具的含义及其组成2.1CVD金刚石涂层刀具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刀具。二、涂层金刚石刀具的含义及其组成2.2金刚石涂层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，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。二、涂层金刚石刀具的含义及其组成氢气化学反应原子态氢碳氢化合物活性基分解金刚石碳氢化合物活性基碳氢化合物碳氢化合物刻蚀石墨碳二、涂层金刚石刀具的含义及其组成2.3硬质合金基体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。(1)

Si3N4系陶瓷优点：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。缺点：由于Si3N4陶瓷本身脆性大，抗冲击性能差，一二、涂层金刚石刀具的含义及其组成般认为，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。(2)

WC系硬质合金二、涂层金刚石刀具的含义及其组成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。CVD涂层金刚石刀具化学气相沉积（CVD）金刚石问世于20世纪80年代二、涂层金刚石刀具的含义及其组成

初，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BalzersAG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，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、CemenCone公司、Sandivik公司、美国诺顿公司等。三、涂层金刚石的发展研究现状3.1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。三、涂层金刚石的发展研究现状三、涂层金刚石的发展研究现状常规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表面抛光技术是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，工艺设备比较复杂。因此，如何有效减小薄膜表面粗糙度，是降低CVD金刚石薄膜刀具需要解决的关键问题。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，且纳米金刚石薄膜的硬度比传统金刚石薄膜低10－20%，有利于薄膜进行后续抛光。三、涂层金刚石的发展研究现状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。

南京航空航天大学张旭辉等人发表了《微／纳米CVD金刚石涂层的制备》三、涂层金刚石的发展研究现状中国矿业大学(北京)超硬刀具材料研究所;北京迪蒙特佳工模具技术有限公司发表了《CVD纳米金刚石涂层工具研究进展》3.2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，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；三、涂层金刚石的发展研究现状(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。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；

CVD金刚石薄膜太厚，与硬质合金基体的粘附性变差且制造成本增加。三、涂层金刚石的发展研究现状沈阳理工大学黄树涛等人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。郑州大学杨仕娥等人也发表了《WC-Co硬质合金基体上高附着力金刚石薄膜的制备》文章。3.3CVD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的作用：三、涂层金刚石的发展研究现状(1)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；

(2)增加基体与反应气源间的接触面积；

(3)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。三、涂层金刚石的发展研究现状典型的硬质合金表面预处理方法主要有：

(1)除去或钝化刀具表面层的粘结相Co;(2)施加过渡层;(3)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。广东工业大学匡同春等人发表了《CVD金刚石涂层硬质合金刀片的基体预处理方法进展》文章。四、涂层金刚石刀具的发展前景展望金刚石涂层在切削加工领域具有广阔的前景，是加工石墨、金属基复合材料(MMC)及许多材料的理想刀具。

目前其主要应用领域是汽车和航空航天工业。近年来，为了减轻飞机、汽车零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加。但由于铝合金比较软，切削时刀具刃部容易发生粘刀现象，从而影响被加工工件的表面粗糙度。为了增加铝合金材料的强度，通常在铝合金中加入大量硅元素。但由于硅元素以颗粒的形式散布在铝合金材料内部，并且这些硅粒子的硬度很高（1000HV左右），从而在切削加工时会导致刀具刃部严重磨损。因此，这样的高硅铝合金材料是一种非常难于切削加工的材料。涂层金刚石车刀应用于铝合金的精密车削加工能获得良好的加工表面质量。涂层金刚石刀具在加工高硅铝合金材料时，能够防止材料中的硅粒子导致的刀具磨耗，使刀具具有较长的寿命。四、涂层金刚石刀具的发展前景展望四、涂层金刚石刀具的发展前景展望CVD金刚石刀具一直被人们关注，经过多年的发展，金刚石涂层硬质合金刀具产业化也已经初步形成。然而，现阶段发展也仍然面临很多问题，主要包括：