加工复合材料的新利器——DLC涂层刀具

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由于复合材料(如纤维增强金属、纤维增强塑料、烧结材料、石英玻璃及陶瓷等)，硬度高，有的脆性大，有的过于强韧，增强基体的纤维与硬物质在切削过程中相当于磨料反过来磨耗刀具，而且复合材料本身耐热性高，导热性差，切削温度传导不出去，一般刀具材料的红硬性都有一定限度，故在加工过程中刀具很快被磨损。以前能加工这些材料的只有金刚石类刀具，此类刀具价格昂贵；同时由于其组织是金刚石结晶体，存在突出的棱角，直接影响加工表面粗糙度，并使切屑排出不畅。

近期开发成功的DLC(类金刚石)涂层是加工复合材料的优异刀具材料。下面将金刚石与类金刚石的特性作一说明。

金刚石

金刚石分为：

天然金刚石(ND)——结晶各向异性，在进行刃磨和使用时，须选择适当的方向。
人造聚晶金刚石(PCD)——以石墨为原料，在高温(约几千℃)、高压(约500MPa)下压制烧结形成。人造金刚石各向同性，硬度低于ND, 韧性高于ND 。
人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)——是以硬质合金刀片为基底，在其上烧结或压制出一层0.5～1.0mm厚的PCD，构成复合刀片，兼有硬质合金与PCD的特性。
金刚石薄膜涂层刀具(CD) , 用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)方法在刀具表面涂覆一层厚10～25µm的金刚石薄膜，是在低压条件下沉积合成的金刚石薄膜。
金刚石厚膜涂层刀具(TFD)——CVD可以在基体上沉积出大于0. 2mm的厚膜，此厚膜可被切割出一定尺寸形状，焊在硬质合金刀片上使用。

由表1可知，金刚石硬度最高可达HV10000 ，自身耐热性高，热导率最高2100W/(m·K) ，故红硬性特高，

表1 金刚石与其他硬物质材料的特性比较
材料	密度 10³kg/m³	维氏硬度 HV	热传导率 W(m·K)^-1	热膨胀系数^① 10^-6K^-1
金刚石	3.52	～10000	～2100	3.1
CBN	3.48	～4500	～1300	4.7
WC	15.6	～1800	～30	3.8
Al₂O₃	3.97	～2200	～10	7.9
Si₃N₄	3.19	～2200	～15	3.3
TiN	5.44	～2000	～15	9.3
(Al+Ti)N^②	－	～2900	—	—
注：① 室温～1173K；② Al/(Al+Ti)=60mol%。

热膨胀系数小，约3.1×10^-6K^-1，耐冲击性能也比较好。杨氏模量高达1144GPa ，耐塑性变形能力高。

金刚石刀具适合加工各类复合材料以及非铁金属如铝、铜及其合金，包括难加工的高硅铝；尚可加工各类难加工复合系烧结材料、陶瓷、硬质合金、玻璃、木材等。但不适宜加工铁、镍、钻等铁族材料，因为加工这些材料时切削温度大于700 ℃，铁有催化作用，使金刚石转化为石墨，导致金刚石刀具本身磨损加速。硬质合金中虽含钴结合相，因催化作用较缓和，故也可算为复合材料的硬质合金，可用金刚石刀具切削，而其他刀具材料硬度不够，根本无法切削此种材料。

20世纪80年代实现了在低压条件下用CVD法沉积金刚石薄膜后，进一步扩大了金刚石在切削工具上的应用，钻头除主、副刀刃外，螺旋排屑槽中也可涂覆金刚石涂层，立铣刀的外刃、底刃、排屑槽及齿槽均可沉积上金刚石涂层，大大提高了各部位的耐磨性，提高了加工速度及加工效率。沉积CVD涂层的方法很多，但各种方法成膜的质量、膜与基体的结合强度有所不同。

CVD金刚石膜的成长过程包括：核生产，成长，成膜。

CVD金刚石膜的原料气为甲烷，随其浓度增加结晶颗粒大小有变小的倾向，非金刚石成分比会增大，而硬度则随之下降。

维氏硬度与所加负荷的曲线图

类金刚石(DLC)涂层

在金刚石涂层实用化、商品化过程中，人们又开发了DLC(Diamond Like Carbon)涂层，即类金刚石涂层，又称类金刚石碳。它是金刚石与石墨结构的非晶质碳膜，具有接近金刚石的高硬度，以不同的涂层方法制成后，其硬度约为HV1000～8000，摩擦系数低(0.005～0.200)，表面非常平滑粗糙度可达R_a0.01µm，而金刚石涂层沉积膜因是金刚石结晶体，结晶晶粒取向不同，形成突起部分，致使表面粗糙度不佳(R_a=0.53micro;m)。

DLC成膜方式有CVD法，也有三菱神户工具公司新开发的PVD(Physical Vapor Deposition)法，即物理气相沉积法。CVD法用碳化氢气体作原料气使之活性化，通过化学反应沉积析出类金刚石膜，膜中含有氢。而新开发的PVD法将固体碳棒作为电极，采用阴极电弧溅射法，从固体电源飞出具有运动能量带正电荷的碳原子，使之与基板相撞成膜。在磁路设计上，由于加了一个偏转磁场，使碳原子发生偏转，在此偏转过程中可除去碳团及不纯物质。由于成膜过程不受基板温度影响，故涂层膜中残余应力小。用此法形成的DLC涂层金刚石与石墨成分比例适当，从而抑制了易发生的脆性损伤，同时具有高耐磨性和高结合强度。

一般方法制成的DLC涂层，最高硬度HV3500，而三菱新法制成的DLC涂层最高硬度可达HV8000，涂层中氢、碳团及不纯物质少，其品质可与金刚石涂层相匹敌。DLC涂层在表面粗糙度、摩擦系数、抗粘结熔结性能方面比金刚石涂层好，价格也有优势，在复合材料加工方面是值得推荐的优异刀具材料。

DLC涂层基体材料为K类硬质合金，一般的DLC涂层压痕边缘膜层剥离，而新开发的PLC 涂层边缘没有出现剥离，可知其与基体结合强度非常高。

DLC涂层刀具加工实例

球头立铣刀DLC-2MB加工铝合金。
好的DLC涂层适合对铝合金的高质量加工，新方法的DLC涂层抗粘结熔结性好，Ø6mm球头铣刀PLC-2MB的切深a_p为2.0mm , 转速n=20000r/min时，侧吃刀量由0.5mm 增至2.0mm时，一般DLC涂层有切屑粘结产生，而新DLC涂层未出现粘结。
球头铣刀DLC-2MB，加工铝合金零件，连续6h ，表面质量始终恒定良好。
Ø0.6mmDLC-2MB球头铣刀加工。
加工聚碳酸酯零件实例：主要加工聚碳酸酯镜头零件上的槽。切削条件为：转速n=12000r/min，进给速度F=900mm/min ，切深a_p=0.1mm 。一般DLC涂层立铣刀加工时会出现许多毛刺，而新DLC涂层立铣刀加工中未出现毛刺，加工质量好。
玻璃纤维增强塑料(GFRP)加工。
GFRP俗称玻璃钢，又强又韧。近来广泛采用的(Al,Ti)N 涂层硬度一般只有HV2900 ，三菱近期开发含(Al,Ti,Si)N的涂层可达到HV37000。现加工GFRP制造的零件中6mm宽，0.5mm深槽，使用的刀具是DLC-2MAØ6mm与(Ti, Al)N涂层Ø6mm立铣刀，其切削条件为n=8000r/min(151m/min)，进给速度F=2000mm/min。用新DLC涂层刀具可加工12个零件，用(Ti, Al)N涂层的只能加工3个。

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