金刚石薄膜涂层刀具失效

金刚石薄膜涂层刀具是一种近年来才发展起来的一种高新技术产品。由于金刚石具有硬度高、摩擦系数低、导热性好等特性,因而使用金刚石薄膜涂层刀具切削,有加工精度高、切削寿命长、切削力小、加工效率高等优点。其切削寿命与目前使用的聚晶金刚石(PCD)刀具相当,是硬质合金刀具寿命的10～140倍。它特别适用于切削加工有色金属、陶瓷、纤维层压复合材料等。PCD和硬质合金刀具常因后刀面严重磨损、刀尖圆弧半径增大而失效,而金刚石薄膜涂层刀具则通常以金刚石薄膜涂层的开裂、剥落以及被磨穿而失效。正是由于这一点,其失效的预报较为容易实现,这对切削过程中降低废、次品和实现监测检验的自动化具有重要的意义。

对比切削试验

金刚石薄膜涂层刀具的衬底是YG6硬质合金,型号为C116,刀尖圆弧半径为0.3～0.8mm。

在化学气相沉积金刚石薄膜过程中,硬质合金中的钴粘结相会促使石墨生长,因此必须对硬质合金衬底表面进行预处理,以去除或降低衬底表面层中的钴含量。一般的预处理工艺为:首先对衬底表面进行酸蚀去钴,再用金刚石微粉研磨和用丙酮进行超声清洗,然后进行还原降碳和用离子束辅助沉积钼过渡层和类金刚石膜。

还原降碳是将衬底表面的WC转变为W或W2C,在随后合成金刚石膜过程中,气相中的碳再将W或W2C转变成WC,以提高膜与基体的结合强度；钼过渡层可以阻挡钴的扩散,这是因为衬底表面的钴被酸浸蚀去除后,在化学汽相沉积金刚石过程中,由于衬底温度高达700～900℃,钴会重新扩散到表面,甚至将已合成的金刚石转变为石墨。

预处理后的衬底用热丝CVD法沉积金刚石薄膜,膜层厚度5～6μm,合成的金刚石晶粒细小,均匀致密光滑,刀具无须再抛光。

同时用PCD和硬质合金刀具车削汽车活塞外圆(φ105mm×110mm)进行对比切削试验,汽车活塞的材料为含硅11%～18%的铝合金。切削工艺参数为:切削速度300～700m/min；进给量0.1mm/r；切削深度0.2mm,干式切削。用示波器监测切削力的动态变化,并随时观察切屑情况,切削后检查工件尺寸精度和表面质量以及刀具失效情况。对比结果,硬质合金刀具切削寿命最短,而金刚石薄膜涂层刀具能连续切削50～120min,切削总长度达到15～80km。虽然其使用寿命没有PCD刀具长,但加工表面质量比用PCD刀具切削的要好。

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