金刚石涂层刀具

　　为迎合用户对提高生产效率、减轻产品重量提出的要求，在机械加工中，正更多地使用各种先进材料。许多企业在汽车零件和飞机结构件中大量使用非铁材料，如硅铝合金、金属基和碳复合材料、玻璃纤维增强塑料等。虽然这些材料重量较轻，但在材料中添加了硬质耐磨颗粒作为强化剂，这无疑增加了这些材料的加工难度，这些硬质颗粒会造成刀具过早磨损和产生大量切削热。刀具磨损主要是由硬颗粒的摩擦磨损和酸腐蚀的化学磨损所致。因此，多数刀具用户认为，金刚石涂层刀具是加工耐磨的非铁金属和非金属复合材料的理想刀具。在各种刀具涂层中，用金刚石涂层刀具加工难加工材料能很好地保护切削刃，且无化学磨损。

　　金刚石涂层与其它涂层的对比

　　金刚石涂层是用化学气相沉积(CVD)方法沉积在可转位刀片或旋转刀具的表面上，CVD方法只适用于整体硬质合金刀具，不适合钎焊的硬质合金刀片和高速钢刀具，因为过高的沉积温度(1400°F)会损坏钎焊的硬质合金刀片和高速钢刀具。

　　用物理气相沉积(PVD)的金属氮化物(如TiAlN涂层)的显微硬度只相当于金刚石涂层的1/3，虽然一些PVD碳涂层称为“类金刚石涂层”，但它们并不具备金刚石涂层的硬度性能，这些无定形碳涂层的最高显微硬度仅仅是金刚石涂层的50%。

　　金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性，所以金刚石涂层完全可用于具有复杂形状切削刃的旋转刀具以及具有复杂断屑槽形的多刃刀具。

　　金刚石涂层刀具在加工非金属复合材料和塑料时，刀具寿命可比不涂层的硬质合金刀具提高10～20倍或更高，而且在加工非铁金属和复合材料时提高了材料切除率。对于加工表面光洁度要求高、抗磨粒磨损和抗腐蚀磨损的切削加工，最适宜采用金刚石涂层刀具，而采用未涂层的硬质合金刀具进行加工很难达到上述要求。

　　金刚石涂层应用于特种刀具的发展趋势与九十年代PVD涂层应用于加工刀具后显著提高了切削性能相类似，使刀具品牌上了一个新台阶。然而，设计高性能金刚石涂层刀具需要在涂层供应商和刀具使用者之间进行更多的超前工作，刀具使用者需要向涂层供应商提出自己需要的涂层并参与新型涂层的设计。

　　决策过程

　　通常，PVD涂层供应商通过改善PVD涂层来提高刀具寿命，包括发展新的涂层材料或改变现有涂层材料的成分，而刀具用户在改进PVD涂层方面的作用主要在于反馈关于涂层应用性能和优化刀具几何参数的信息。

　　然而在金刚石涂层领域，涂层供应商在过程开始就直接征求用户的建议，用户根据被加工材料和某特种切削加工工序的要求向涂层供应商提供涂层设计的决策，作为一个工作团队，涂层供应商和用户共同决定涂层厚度、晶体尺寸和涂层基体的处理方法。

　　为了保证在使用中涂层与刀具表面粘结牢固，基体必须作适当的处理(机械与化学处理)，使金刚石涂层牢固地粘结在刀具表面上，通过去除刀具表面的钴粘结剂，可获得这种粘结效果。刀具表面的钴去除之后，留下的显微孔隙成为金刚石涂层生长的支撑点。

　　为了获得充分的粘结，刀具表面需要的预处理量取决于工件材料的耐磨性、涂层厚度和金刚石的晶体尺寸，涂层刀具的性能试验是检查粘结好坏的最好方法。

　　厚涂层和薄涂层的对比

　　大多数PVD涂层的厚度为1～5μm；金刚石涂层的厚度为3～30μm，它的厚度取决于切削工序和工件材料的耐磨性。超过10μm厚度的金刚石涂层通常可加工大多数耐磨材料，尤其可加工那些含百分比高的硬颗粒添加剂的耐磨材料，如含Si量>9%的Al，而且较厚的涂层可形成一种圆形的刀刃，防止刀具与硬颗粒接触时崩刃，其作用好象珩磨，可防止崩刃。薄的金刚石涂层(3～10μm)的刀刃圆弧较小，薄涂层可以涂在直径小至0.25mm的旋转刀具、精加工刀具和加工含磨粒较少的非铁材料及复合材料的刀具，而PVD涂层刀具不适合加工这些材料。

　　晶体尺寸

　　传统的金刚石涂层是由平面形晶体组成，其尺寸为1～5μm。这种多晶结构在加工硬的耐磨材料(如石墨和陶瓷)时极为有效，加工时，这些材料变成粉末。平面形表面的凹凸不平，其作用可视为一种显微结构粗糙的刀具，它可提高切削效率。然而，在加工树胶材料时，这种表面也增加了切削负荷，这种被加工材料阻碍切屑流动，其加工表面光洁度很差。

　　称作“纳米晶体”的金刚石涂层晶体结构是用一种特殊的CVD方法生产的，因为其晶体尺寸仅为0.01～0.2mm(10～200μm)，它可以帮助解决上述这些问题。纳米晶体金刚石涂层比由较大的平面形晶体组成的涂层具有较细的颗粒结构，它的光滑表面可以减少切削负荷及减少切屑焊在刀具表面的可能性，因而改善了切屑流动性和加工光洁度。

　　潜在的生产率

　　今后，高性能金刚石涂层刀具的发展取决于涂层供应商和刀具用户的紧密合作及他们进行刀具设计的能力。在发展新的金刚石涂层刀具中，刀具用户将在包括涂层设计的决策中做更多的工作；他们必须了解涂层厚度、晶体尺寸和表面处理方法的关系及这些因素和切削应用的关系。

　　例如涂层供应商和用户，为加工高硅铝合金和金属基复合材料，联合开发一种金刚石涂层钻头，在含20%Si增强Al的刹车盘上要钻69个12.5mm的通孔，钻完所有孔之后，该钻头完好无损，而通常未涂层的钻头，钻完9个孔之后即失效。

　　高性能金刚石涂层刀具在加工上述的先进材料时正力争达到最好的性能价格比，刀具用户及最终使用者正学习更多关于如何组合金刚石涂层性能与硬质合金刀具来优化加工效率的知识。

　　那些首先发现金刚石涂层刀具应用的用户将有一种基于生产率的竞争优势，并能及时得到刀具的供应，而且他们将在金刚石涂层新的技术突破中处在较好的位置并可获得不小的收益。

（李义庭(译)）

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