CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性试验

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1 引言 ; b* i# _- T! P" ` 随着汽车、航空、航天等工业的高速发展，对用于加工各种高性能材料的切削刀具的要求日益提高，PCD刀具、金刚石刀具等新型刀具先后应运而生。PCD刀具的使用性能虽然较传统的硬质合金刀具有了显著提高，并已在机械加工中得到广泛应用，但在许多加工场合仍不能完全满足对加工效率及工件表面完整性的要求。此外，由于PCD材料是由金刚石颗粒与结合相组成，其刃口特性不甚理想，也限制了PCD刀具的进一步发展。CVD金刚石自八十年代研制成功以来，其在机械加工方面的应用研究已取得明显进展，并逐渐进入商品化应用阶段。但目前有关CVD金刚石刀具耐磨性的研究仍不够充分。本文对CVD金刚石厚膜刀具与PCD刀具切削Al2O3微粉增强树脂材料时的耐磨性进行了对比试验与分析。 % @- Y# k( R1 E4 y4 S% x+ ? 2 CVD金刚石的特点 CVD金刚石是采用化学气相沉积工艺生成的一种纯金刚石多晶材料，通常可分为厚度50µm以下的金刚石薄膜涂层和厚度100µm以上甚至达数毫米的金刚石厚膜两大类。CVD金刚石具有优异的光学、热学、声学、电子学及力学特性。CVD金刚石薄膜涂层可用于钻头、铰刀、带断屑槽的机夹刀片等的表面镀膜处理。CVD金刚石厚膜的耐磨层较厚，目前常用的制膜工艺是先将金刚石沉积在Si、Si3N4、WC等过渡材料上，然后通过磨削和酸蚀去除过渡材料获得金刚石厚膜，最后将金刚石厚膜焊接在基体材料上，制成车刀、镗刀等简单刀具，其制造工艺与PCD刀具基本相同。 与PCD材料相比，CVD金刚石具有以下特点： 纯度高 PCD材料中所含的Co使其具有较强的抗碎裂和抗断裂性能，但Co的存在降低了PCD的硬度，且在高温条件下将加快金刚石向石墨转化和氧化。CVD金刚石为纯金刚石，不含任何添加复合材料，因此具有比PCD更高的硬度、热导率、致密性、刃口锋利性、耐磨性、耐高温性、化学稳定性、非导电性以及更低的摩擦系数。 1 S4 v" y) v3 Y5 o N! T 金刚石颗粒的大小是决定PCD材料性能的重要因素，粗粒PCD刀具耐磨性较好，但切削刃较粗糙；细粒PCD刀具刃口锋利，易加工出良好的零件表面纹理，但耐磨性稍差。CVD金刚石因不含结合相，属连续性材料，其性能几乎不受内部金刚石晶粒大小的影响。 各向同性 : a3 T1 n$ R2 p6 d7 ?; ]9 x( x CVD金刚石与PCD材料一样为多晶材料，其内部晶粒不具有方向性，因此在制作切削刀具时可任意取向，不受晶体特性影响，这是与天然单晶金刚石的不同之处。 可制作较大面积的膜层材料 ) C# v- T6 M: n6 x CVD金刚石通常沉积在硬质合金或陶瓷基片上，由于采用低压沉积工艺，因而容易生成较大面积(f100mm以上)的金刚石膜，使CVD金刚石在尺寸及形状方面具有更大的应用灵活性。 8 L- T8 o3 i9 W) @5 _ 3 切削试验条件 8 u; ?: E7 ~6 m: ~* \ 设备 0 ]3 p/ j7 u4 q i 试验用机床为J1-MA2AK460×860型车床。采用J19型万能工具显微镜测量刀具后刀面磨损带宽度。 * ?( U+ C$ D* F% l- h5 S U" S/ H! v 试件 # H7 k9 @% L$ s/ [ 据国外资料介绍，目前50%以上的PCD刀具用于切削硅铝合金。硅铝合金(特别是Si含量>12%的高硅铝合金)组织中含有大量颗粒粗大、硬度高的初晶Si，切削加工时，它们像砂轮磨粒一样高速作用于刀具上，可使刀具迅速磨损，用普通材料刀具很难加工。因此，PCD刀具、CVD金刚石刀具目前主要用于该类材料及硬质点强化软基非金属材料(如碳纤维增强塑料、各种耐磨纤维板等)的切削加工。由于PCD刀具、CVD金刚石刀具工作寿命较长，采用硅铝合金或增强塑料进行耐磨性试验耗时过多，为此我们试制了Al2O3微粉填充聚乙烯醇缩醛树脂材料作为专用试验材料。切削加工中，该材料中Al2O3微粉的研磨、凿削和摩擦作用类似硅铝合金及增强塑料，且Al2O3含量较高，可缩短试验周期，能较好地模拟硅铝合金等材料的切削加工。 试件尺寸：外圆f255mm，内孔f155mm。 刀具 ' _4 K/ O) m2 V$ V6 n& z l1 e @2 `* a9 y; p* R/ l0 i) t5 a) x2 h/ [3 Z) w0 G8 B* ~9 J( O8 M6 f5 f" R9 U# K2 Y) J9 Z* N7 s7 S 图1 2 g# N* p0 R1 s O; S! ^ 图2 本试验选用三种进口PCD刀具(编号为A、B、C)、二种国产PCD刀具(编号为D、E)和一种硬质合金刀具(编号为F)与CVD金刚石厚膜刀具进行切削对比试验。试验用刀具均由本中心超硬材料刀具室制作。刀具几何角度均为：g＝0°，a=6°，Kr=75°，Kr'=15°，刀尖圆弧半径r=0.3～0.35mm。 ; G' o/ Q \! Z& y# p0 v 切削参数 # S5 q5 B' W& S 工件转速：n＝240r/min 5 R8 ^: B; c& D _ U 横向走刀速度：f=0.205mm/r 切削深度：t＝0.1mm 2 P) F0 n) F2 V 切削方式：干式端面切削 " e& Q& G6 u4 s+ K; G4 d+ z2 ]2 e- R* K6 p 4.切削试验结果及分析 ' p- `( K- K- E5 ]7 S* X9 S 1 W1 B( ]& D! T$ O CVD金刚石刀具与进口PCD刀具的耐磨性对比 : s8 l+ n' f3 ?6 e 图1所示为CVD金刚石刀具与三种进口PCD刀具的磨损曲线对比。由图可知，CVD金刚石刀具磨损最小，在切削过程的前5分钟内几乎测不到磨损现象。如以后刀面磨损带宽度VB=0.15mm为磨钝标准，则CVD金刚石刀具的工作寿命为某国外著名品牌PCD刀具的一倍多，是极理想的高耐磨性刀具。虽然CVD金刚石刀具耐磨性较高，但从图中可看出其磨损曲线的波动性较进口PCD刀具大，表明其后刀面磨损不稳定。用显微镜观察，可发现CVD金刚石刀具出现了较多崩刃现象，这是由CVD金刚石刀具的材料特性所决定的，由于CVD金刚石中不含金属结合相，因而脆性较大，因此，CVD金刚石刀具更适合用于连续切削。为弥补CVD金刚石刀具断裂韧性的不足，采用的切削速度通常应高于PCD刀具。 CVD金刚石刀具与国产PCD刀具的耐磨性对比 # g- D2 {% V9 w/ }. e# x: D 图2所示为CVD金刚石刀具与二种国产PCD刀具和硬质合金刀具的磨损曲线对比。由图可见，CVD金刚石刀具的耐磨性显著优于国产PCD刀具及硬质合金刀具。此外，PCD刀具的初期快速磨损较明显，而CVD金刚石刀具则无此倾向，这是由于PCD材料由金刚石与结合相组成，结合相的存在使刀具难以刃磨出非常锋利的刃口；而CVD金刚石属连续性材料，易于刃磨出锋利的刀具切削刃。 3 C* |" y! U1 |1 T 刀具材料的耐磨性对比 / S0 K: y" E( \/ }; A, x2 a8 \ 由试验结果可知，CVD金刚石厚膜刀具较各种PCD刀具具有更高的耐磨性。为了定量分析各种刀具的相对耐磨性，以刀具后刀面磨损带宽度VB=0.182mm为磨钝标准，对以上试验结果进行适当数据处理，计算结果列于下表。从表中可看出，CVD金刚石在耐磨性上具有明显优势。 : H& K5 s b5 v$ Y+ W! W% ~, |/ Q5 d+ H% I7 |+ V0 U* B7 `/ f' ~' U% U# Y" F) G/ B; w& \6 C6 z3 g, y# P! j! c4 l+ X3 h- A# Q) o; u! @; U& M% f) t- L t' K x" R( A- H7 }& ]; c; ^/ {) ]$ T( T4 |+ h4 S$ M* }! T# K2 @. g+ C7 f# W+ e" |9 |9 l# K5 w( U, P6 N) h$ E$ t: C& M) i+ X$ l5 w( j% Y2 U y% ~. i0 F 各种刀具的相对耐磨性表 &bnsp; CVD PCD-A PCD-B PDC-C PCD-D PCD-E WC 耐用度(min) 55.89 47.18 26.34 19.33 14.0 3.70 0.237 相对耐磨性 236 199 111 82 59 16 1 5 结论 ' A3 L6 i. x8 I# d5 f 8 h. ^ ?! ]) O CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性明显优于PCD刀具。在本试验条件下，CVD金刚石厚膜刀具的耐磨性为某国外著名品牌PCD刀具的1.18倍，为国产PCD刀具的4倍，为WC刀具的236倍。 ' z, m1 L/ R! ~$ s& Y; n/ n CVD金刚石厚膜刀具切削刃口锋利，几乎不存在初期快速磨损，可用于超精密切削。但CVD金刚石厚膜刀具在切削过程中崩刃较多，磨损曲线波动较大，因此比较适合用于连续切削。