CVD金刚石厚膜焊接刀具的试验研究

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　　1引言

　　金刚石具有硬度高、耐磨性好、热导率大、摩擦系数和热膨胀系数小、化学惰性强等优良特性，是制造切削刀具的理想材料。近十年来，国内外已先后开发出可用于有色金属、电极石墨、陶瓷、复合材料等精密加工的CVD金刚石厚膜焊接刀具，基本完成了CVD金刚石刀具的商品化开发工作。

　

　1.灯丝电源2.直流电源3.热灯丝4.基体5.样品台6.进气口7.排气口8.反应腔

　　图1 EACVD金刚石沉积装置

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　　目前应用较多的CVD金刚石厚膜焊接刀具制造工艺流程为：大尺寸金刚石厚膜制备→激光切割刀头→在真空或保护性气氛中钎焊刀头与刀架→刀具刃磨。其中的关键工序为刀头与刀架的焊接。由于金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能，因此金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所浸润，可焊性极差。由于CVD金刚石为纯晶质的多晶金刚石材料，因此同样存在这一问题。尽管通过采用含钛的银铜合金焊料在惰性保护气氛或真空中进行焊接可提高焊接强度，但该方法不仅成本较高，且焊接出的刀具在刃磨过程中经常出现刀头脱落现象，影响成品率。因此有必要研究开发更简便、更可靠、成本更低的金刚石焊接工艺方法。本文对此进行了试验研究。

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　　2试验方法

　　本试验拟采用新的工艺方案来制造CVD金刚石厚膜焊接车刀，工艺流程为：大尺寸金刚石厚膜制备→激光切割刀头→刀头表面金属化(化学气相沉积W膜)→在大气中钎焊金属化刀头与刀架→刀具刃磨。

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　　制备CVD金刚石厚膜

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　　采用自行研制的电子辅助化学气相沉积(EACVD)装置(见图1)在Ø100mm的Si基片上制备0.8～1.0mm厚的大尺寸金刚石厚膜，沉积工艺条件见表1。

表1 CVD金刚石沉积工艺条件

基片材料	反应压力 ( ^( x, S f% o2 F* g3 g(t)	H2流量 (sccm)	CH4流量 $ k, h6 t* v U! J; c- f- c(sccm)	O2 流量 (sccm)	基片温度 (℃)	灯丝温度 + g: o+ _( f- j' i(℃)	灯丝与基片距离 " M/ R/ j4 B0 v. _2 O. l0 D(mm)	基片直流电流密度 2 _5 R7 F6 }5 O& H(mA/cm2)
Si、Mo	50～70	400～800	40～80	15～30	800～1000	～2300	8～10	200～1000

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　　切割金刚石刀头

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　　用激光精密加工机在制备的大尺寸金刚石厚膜上切割出边长为4.0mm的等边三角形刀头，并用H2SO4和HNO3混合液煮沸清洗，以去除切缝边缘的残留石墨，避免影响金属化层与金刚石的结合。

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　　金刚石表面金属化处理

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　　采用钨氯化蒸发、氢气还原的化学气相沉积法在金刚石刀头表面(生长面)制备W金属层。试验中，沉积温度分别选用800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，沉积压力～80乇，沉积时间20～30min。

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　　刀头与刀架的焊接

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　　刀架材料为YG6硬质合金，采用普通Ag-Cu合金焊料，在大气中采用高频感应加热焊接，焊接温度850℃，焊后空冷。