机械加工中金刚石研究现况
前言：本站为你精心整理了机械加工中金刚石研究现况范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。
本文作者：王文龙1郑艳彬1李光1姜志刚2作者单位：1长春中医药大学药学院2吉林大学超硬材料国家重点实验室
砂轮修整工具
磨削是精密加工中不可缺少的工艺。砂轮在使用一段时间以后，其磨粒微刃变得不锋利且磨粒与磨粒之间的气孔被工件的磨屑填充，导致磨削效果变差，必须对砂轮表面进行修整。常用的砂轮有刚玉砂轮和碳化硅砂轮，它们的硬度都较高，刚玉的维氏硬度大约为18～24kgf/mm2，碳化硅的维氏硬度大约为28～36kgf/mm2，必须用硬度更高的金刚石工具对其进行修整。砂轮修整工具主要包括图1所示的金刚石修整笔和砂轮刀，以及图2所示的修整器。
1修整笔和砂轮刀
金刚石修整笔如图1a所示。传统的修整笔采用天然金刚石，利用镶嵌工艺制作。金刚石颗粒大小的选择十分重要，主要依据被修整砂轮的粒度、尺寸和材质而定。砂轮的粒度越小，需要的修整笔笔尖越尖，对于80#以上细粒度砂轮所使用的金刚石修整笔笔尖需要特殊的研磨才能保证砂轮的修整要求。CVD金刚石修整笔可满足400mm以下的粗磨或半精磨砂轮的修整，工艺稳定。砂轮刀如图1b所示，砂轮刀(成型刀)主要用于成型砂轮和需要修整成型面夹角的砂轮的精密修整。对于800mm以上的大尺寸砂轮的修整，应采用修整器修整。
2修整器
砂轮修整器是采用多个金刚石颗粒或金刚石条，经粉末冶金工艺制作而成，主要用于大型砂轮的常规修整和砂轮的成型面夹角修整。金刚石的选料一般为:天然金刚石小颗粒、天然金刚石条以及CVD金刚石条。使用过程中，多个金刚石粒(条)同时参与砂轮的修整，所以效率高，性能稳定。影响修整器使用性能的主要因素有:各金刚石粒(条)耐磨性和几何形状的一致性、排列的直线度。CVD金刚石容易满足要求，长春八方金刚石科技有限公司采用CVD金刚石设计制造的45°直线排列的砂轮修整器，如图2所示，具有性能稳定的高效修整功能，已得到广泛应用。CVD金刚石修整工具的主要优缺点如表1所示。
气动打标机的CVD金刚石针头
传统的打标机针头一般是由硬质合金材料制作，可以用于硬度低于50HRC的工件打标;对于大于50HRC的硬质材料工件，该针头寿命极短，严重影响效率和打标效果;而对于硬质合金工件则更是无能为力。图3所示为气动打标机的金刚石针头外观图和视图。镶嵌CVD金刚石的针尖，经刃磨、倒钝而成。金刚石针头对有色金属及合金、淬硬钢和铸铁等工件进行打标时具有明显优势，打标效果和使用寿命都明显优于硬质合金针头。如用硬质合金打标机针头在高硅铝合金上打标时，针头上由于铝粘结容易出现积屑瘤，字形不清晰;而金刚石针头不仅寿命长，且打标流畅、字形美观。试验表明，金刚石针头在硬质合金上打标总路程大于200m，在40倍显微镜下观察有轻微磨损，针头修磨后可继续使用。金刚石针头对淬硬钢打标时的使用寿命为硬质合金打标机针头的20倍以上。
CVD金刚石焊接刀具
CVD金刚石焊接刀具是采用0．5～1mm厚的CVD金刚石制成的刀具。在制作过程中，首先要保证CVD金刚石的质量，一般要求磨耗比高，无裂纹，厚度均匀;然后依次经过抛光、激光切割、真空焊接、高频焊接和刃磨等工序制成，技术的关键是焊接和刃磨。1)金刚石与硬质合金基底的焊接。一般采用YG8硬质合金作为基底材料，以银、铜、钛合金等作为焊料，高真空条件下采用热扩散和热化学反应实现了金刚石焊接，在金刚石表面形成几个纳米厚度的碳化钛薄层，实现了CVD金刚石的牢固焊接［5］，焊接剪切强度达到200MPa以上，可满足CVD金刚石机械领域精加工刀具的使用要求。2)刀具刃磨。目前，投入应用的CVD金刚石是多晶材料，没有明显的解理面，与单晶金刚石沿着解理面刃磨相比，刃磨难度和修磨难度都相当大。例如，采用CVD金刚石制作首饰刻花刀，其性能完全能够满足加工要求，但刃磨和修磨的难度是天然金刚石的3倍以上，并且由于受到晶界的影响，刃口的质量受到限制。例如，用CVD金刚石制作光栅刻刀很难达到所需要的刃口。CVD金刚石焊接刀具在切削硬质合金［6-8］、高硅铝合金［9］、金属基复合材料［10］、碳纤维复合材料、工程陶瓷和特殊石墨等高硬度及耐磨材料时的优势十分明显。CVD金刚石刀具抗冲击性能较差，加工硬质材料时金刚石刀具的前角不宜太大，以防止崩刃。在切削过程中不需要冷却液，实现了绿色切削，减少了对环境的污染。CVD金刚石刀具的使用寿命至少为聚晶金刚石(PCD)刀具的3～5倍。Almeida等人［7］的研究表明，在切削硬质合金棒(WC-18wt%Co)时，CVD厚膜焊接刀具与PCD刀具相比存在明显优势，一方面是因为CVD金刚石比PCD金刚石有更高的硬度;另一方面是因为PCD刀具和硬质合金棒中都含有粘结相Co成分，导致PCD刀具的粘结磨损比较严重。此外，CVD刀具的切削性能还与刀具的几何形状有关。Almeida等人还比较了两种不同几何形状的CVD刀具在精加工和粗加工硬质合金棒时的性能。CVD厚膜刀具的几何形状和切削参数如表2和表3所示。研究表明:在精加工硬质合金时，0°前角和负前角刀具使用效果没有明显的区别。但是在粗加工时，0°前角金刚石刀具在切削力、刀具磨损和被加工工件表面粗糙度等方面都明显优于负前角金刚石刀具。
纳米金刚石涂层刀具
纳米金刚石涂层刀具是指在硬质合金刀具基底上用CVD的方法沉积一层5～20μm厚的纳米金刚石膜。纳米金刚石涂层刀具既具有硬质合金刀具的韧性，又具有较高的硬度，其切削性能和使用寿命都比硬质合金刀具大大提高。涂层的难点是如何消除应力、提高结合强度和成核密度。硬质合金中含有金属粘结相Co，如果Co含量太低，则韧性不足;如果Co含量太高，金刚石形核率低。目前，大多数研究者采用Co含量为6%的硬质合金作为基底材料［11-12］。在CVD金刚石膜沉积过程中，硬质合金里面的Co会使金刚石石墨化，导致金刚石膜的粘附性较差。为了提高金刚石膜的粘附性，一般采用酸对硬质合金表面进行除Co或者在硬质合金表面溅射一层金属Ti(Ta、Mo、Nb、W、Ag或者陶瓷材料TiC、TiN、TiCN［13］、SiC、CrN)作为过渡层，防止在沉积金刚石膜时Co的扩散。研究表明，用酸处理硬质合金基底表面虽然可以除Co，并且可以在基底表面形成许多孔隙，但降低了金刚石膜的粘附性能。解决方法是采用两步法，先用Murakami溶液浸蚀WC相，后用Caro’sacid(H2SO4+H2O2)除Co，这样增加了基底的表面粗糙度，有利于金刚石的成核，金刚石膜的粘附性能大大提高。图4所示为用Murakami/Caro’sacid两步法预处理硬质合金基底示意图。姚成志等人［15］的研究表明掺杂B能与硬质合金表面的Co形成稳定的化合物，有效地抑制Co的扩散。涂层的膜-基附着力在硼碳摩尔比B/C=3×10－3时最佳。纳米金刚石膜一般用Ar和甲烷等含碳气体制备，其中Ar的体积分数要大于90%［17］，且沉积纳米金刚石的温度不宜太高(约800℃)［18］，温度过高，Co的扩散加剧，导致金刚石膜的粘附性能下降。
CVD金刚石的制备技术已经相当成熟，且在部分机械加工领域已实现产业化。其中CVD金刚石在修整器和气动打标机针头市场具有明显的优势。在切削硬质材料、难加工材料和精密加工领域，CVD金刚石焊接刀具也是最佳选择。随着国民经济的发展，提高用户对金刚石制品优越性能的认识;进一步优化金刚石制品的制作工艺，提高性价比;以市场为导向，促进产学研一体化;重视科研队伍的培养，提高技术攻关能力，必将进一步提高CVD金刚石膜的产业化水平。
