可与单晶金刚石刀具媲美的PCD刀具
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从材料的化学成分来看,CVD金刚石为99.999%的纯碳,其纯度甚至超过了天然金刚石,因为CVD金刚石是在严格控制环境条件的实验室中制成的。因此,用实验室沉积的CVD金刚石通常可以制成品质更高的切削刀具。
单晶(天然)金刚石刀具广泛应用于精密零件(如光学镜片)的切削加工,因为这种刀具能加工出超精细的表面光洁度,并能达到极高的廓形精度。然而,单晶金刚石的成本较高,为其他刀具材料(如烧结PCD和硬质合金)的2-5倍。
用化学气相沉积法(CVD)在刀具(如钴含量小于6%的硬质合金刀具)上沉积厚度为2-500μm的聚晶金刚石(称为CVD金刚石或PCVD)薄膜已经有几十年的历史。近20年前,Norton金刚石薄膜公司(当时还是圣戈班磨料磨具公司的业务部门之一,现在其业务已被合并到圣戈班的其他部门)成为率先制备出厚度约1mm 的CVD金刚石厚膜的企业之一。
如下表所示,CVD金刚石的硬度和强度高于烧结PCD、硬质合金(Co含量6%)、氮化硅和碳化硅等硬质材料,与天然金刚石不相上下。然而,由于制备CVD金刚石厚膜和刀具焊接的成本较高,技术的突破并没有转化为市场的成功。
表 CVD金刚石与其他硬质合金材料的力学性能对比
性能参数CVD金刚石天然金刚石烧结PCD硬质合金氮化硅碳化硅
努氏硬度(GPa)85-10050-10050-75181620
杨氏模量(GPa)11801050800600310400
热导率(W/m°K)600-16001000-200050010040135
密度(gm/cm3)3.513.514.11.53.23.2
金刚石切削的诀窍在于:用金刚石刀具的硬晶面和硬晶向去切削工件材料的软晶面和软晶向。为了提高刀具的切削能力,CVD金刚石厚膜的硬晶面与软晶面一起生长,使其具有更好的强度。但是,将CVD金刚石厚膜复合片精确磨削成所需要的形状大大增加了加工难度和成本。

图 直流电弧等离子体反应炉。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
由于过去几年来天然金刚石价格的快速攀升,刀具制造商开始寻求经济实用的CVD金刚石厚膜制备和刀具焊接技术。强劲的行业需求催生出了新一代的直流电弧等离子体反应炉(见图),这种设备能以较好的成本效益沉积出直径达100mm、厚度达2mm的CVD金刚石厚膜。
从材料的化学成分来看,CVD金刚石为99.999%的纯碳,其纯度甚至超过了天然金刚石,因为CVD金刚石是在严格控制环境条件的实验室中制成的。因此,用实验室沉积的CVD金刚石通常可以制成品质更高的切削刀具。
然而,由于CVD金刚石生长速度较快,因此在其内部往往存在很高的内应力。这一特性阻碍了CVD金刚石有效地生长为厚膜,并使其难以磨削加工。美国Simple Technology公司新开发的直流电弧等离子体反应炉能有效地降低金刚石内部的残余应力,从而改善了磨削效果。
CVD金刚石的另一个不利因素是其晶面在结构内部的取向是“随机的”,而不同的晶面具有不同的硬度和强度水平,即使在同一晶面中,不同晶向的强度也各不相同。当从某个方向刃磨CVD金刚石时,每个金刚石晶粒的耐磨性并不相同,而金刚石磨轮很可能无法磨削其晶粒取向于硬晶向的晶面。其结果是,磨削CVD金刚石厚膜成为一个令人头痛的加工难题。
Simple Technology公司过去两年开发的新型金刚石磨轮破解了这一难题。该磨轮采用一种独特的结合剂,使其能精确地磨削加工CVD金刚石厚膜复合片,并获得良好的表面光洁度。这一技术突破使该公司能够以较低的成本生产CVD金刚石切削刀具。
CVD金刚石刀具的质量也有所提高。实验室测试表明,Simple Technology公司用于加工精密光学镜头的新型CVD金刚石刀具的切削刃表面波度为0.37μm,可与单晶金刚石刀具的表面质量媲美。
从2011年夏天开始,光学镜头制造商Custom Craft公司用这种CVD金刚石刀具在Optoform车床上加工镜头。据该公司介绍,在需要重磨之前,CVD金刚石刀具加工的镜头数量与单晶金刚石刀具相当,而加工成本降低了30%。
金刚石刀具制造商K&Y金刚石公司也对这种新型CVD金刚石刀具进行了实验室测试,并在德国进行了6个月以上的加工试验。结果表明,在切削加工光学镜头时,新一代CVD金刚石刀具的性能与单晶金刚石刀具不相上下。目前,该公司正在研究用激光切割CVD金刚石复合片,以替代使用金刚石磨轮的磨削工艺。
刀具成本较低是用直流电弧等离子体反应炉替代微波等离子体反应炉沉积CVD金刚石的原因之一。与后者相比,前者能在每次运行中以更快的沉积速度生产出面积更大的CVD金刚石厚膜复合片。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2014-9-10 14:42:21

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