CN102615490A - 复杂cvd金刚石刀具的制备方法 - Google Patents

复杂cvd金刚石刀具的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种复杂CVD金刚石刀具的制备方法，其特征是它包括
Figure 2012101001303100004DEST_PATH_IMAGE002
基材准备；模具加工；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
模具型腔预处理；沉积；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
脱模；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
去应力；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
焊接共7个步骤。本发明采用容易加工的材料作为模具，在模具型腔内沉积形状复杂的CVD金刚石厚膜刀片，可以避免对金刚石刀具切削部分复杂的几何面进行成型、研磨和抛光加工。本发明能够实现精度高、形状复杂的CVD金刚石厚膜刀片的成型，通过真空钎焊获得复杂CVD金刚石刀具。方法简单，易于实现，可大大降低复杂金刚石厚膜刀具的制造成本。

Description

复杂CVD金刚石刀具的制备方法
技术领域
本发明涉及一种超硬刀具的制备方法，尤其是一种刀头切削刃形状复杂的超硬刀具的制备方法，具体地说是一种复杂CVD金刚石厚膜刀具的制备方法。
背景技术
化学气相沉积（CVD）金刚石不含有金属或非金属添加剂，纯度很高，它被认为是加工有色金属及其合金、金属复合材料、陶瓷、碳纤维、玻璃纤维制品、硬质合金、石材等最理想的刀具材料。CVD金刚石厚膜刀具是将厚度在0.1mm以上的金刚石厚膜切割成小块后焊接在刀杆上制成的刀具。目前CVD金刚石厚膜刀具进入实用阶段，美国、日本和欧洲的一些国家已经有产品在市场上出售。国内的一些高校和研究机构也进行了大量的研究，取得了一定的成果，但主要受到技术和经济两方面的制约，目前金刚石厚膜刀具的实际应用规模还非常小。
刀具的切削性能好坏、适应领域和使用寿命不仅与刀具的材质有关，还与刀具切削部分的几何形状密切相关，现代高性能刀具切削部分的几何形状越来越复杂。CVD金刚石厚膜刀具的切削部分材料都是金刚石，其硬度、摩擦系数、热导率、弹性模量等物理性能都接近天然金刚石的优越性能，这使得常用的刃磨方法很难磨出几何形状复杂的刀具。目前复杂CVD金刚石厚膜刀具加工非常困难，加工效率极低，加工成本很高，所以目前的CVD金刚石厚膜刀具基本是刃型非常简单的刀具，这对CVD金刚石厚膜刀具的性能充分发挥、适应领域、使用寿命都有很大的限制。提高金刚石膜的加工效率和加工质量，对金刚石厚膜刀具的发展将起到很大的推动作用。采用容易加工的材料作为模具，在模具型腔内沉积形状复杂的CVD金刚石厚膜刀片，可以避免复杂CVD金刚石厚膜刀片的复杂型面成型、研磨和抛光加工。
 
发明内容
本发明的目的是针对复杂CVD金刚石刀具加工非常困难，加工效率非常低，加工成本很高的问题，发明一种基于模具法的复杂CVD金刚石厚膜刀具制造方法，容易成形的复杂CVD金刚石厚膜刀具的制备方法。
本发明的技术方案是：
一种复杂CVD金刚石刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE002
基体准备：基体厚度t≥5mm，基体两面先进行研磨处理，然后在其中的一个面上沉积厚度大于5μm的阻隔膜；
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE004
模具加工：在基材有阻隔膜的一面上加工出与刀具形状和尺寸一致的凹模型腔，并对凹模型腔进行研磨抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.02μm；
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE006
凹模型腔的预处理：采用纳米金刚石悬浊液对研磨抛光后的凹模型腔进行超声波处理，处理时间为20～40min；
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE008
沉积：采用CVD沉积法在凹模型腔内沉积厚度大于0.5mm的、与最终刀具形状和尺寸一致的复杂CVD金刚石厚膜刀片；
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE010
脱模：在基体降温过程中，当基体温度下降到600℃时在2分钟内快速降温到400℃，在热应力作用下实现复杂CVD金刚石厚膜刀片与凹模型腔接触面分离；
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE012
去应力：将复杂CVD金刚石厚膜刀片放在有保护气体的真空中在600℃～650℃的温度下退火处理，退火保温2小时，然后缓慢冷却到室温；
Figure 2012101001303100002DEST_PATH_IMAGE014
焊接：将去应力后的复杂CVD金刚石厚膜刀片焊接在形状和尺寸相配的硬质合金刀体上。
所述的基体的材料应该同时具备两个特征：
Figure 604682DEST_PATH_IMAGE002
容易加工，
Figure 489462DEST_PATH_IMAGE004
适合金刚石沉积和生长，如Si、Mo等。
所述的阻隔膜材料应该同时具备两个特征：
Figure 756495DEST_PATH_IMAGE002
熔点高于1500℃，
Figure 955395DEST_PATH_IMAGE004
金刚石不易成核和生长，如Co、Al2O3、Fe等。
所述的去应力时采用的保护气体为惰性气体与氢气的混合气体，混合气体的体积比为98：2，真空室气压小于5kPa。
所述的复杂刀具为金属切削刀具、复合材料加工刀具和木工刀具等。
所述的复杂CVD金刚石厚膜刀片与硬质合金刀体的焊接连接是采用银铜钛基焊料真空钎焊。
本发明的有益效果：
1、采用本发明方法制备的复杂CVD金刚石厚膜刀片的前刀面表面粗糙度值Ra<0.1μm，前刀面不需要研磨和抛光加工就可以使用。沉积复杂CVD金刚石厚膜刀片的基体材料相对容易加工，采用目前常用的加工技术可以较容易得到精度高、形状复杂的模具型腔（即凹模型腔）。在模具型腔内沉积的复杂CVD金刚石厚膜刀片是对模具型腔内表面的形状复制，因而可以获得精度高、形状复杂的CVD金刚石厚膜刀片，避免了对极其难加工的CVD金刚石进行成型加工，降低了复杂CVD金刚石厚膜刀片的制作成本。
2、阻隔膜上不会沉积CVD金刚石，阻隔膜可以有效控制CVD金刚石膜的沉积范围。
3、基体上加工多个型腔，可以一次沉积多个复杂CVD金刚石厚膜刀片，提高了复杂CVD金刚石厚膜刀片的沉积效率。
4、采用热应力作用下实现复杂金刚石厚膜刀片与凹模型腔接触面分离，这种方法脱模简单，脱模后模具型腔保持完整，模具可以重复使用，模具利用率高，降低了复杂CVD金刚石厚膜刀片的制备成本。
5、去应力退火后CVD金刚石厚膜刀片的残余应力值大大降低，刀片产生裂纹的几率大大降低，提高了复杂CVD金刚石厚膜刀片的成品率。
6、钎焊连接的金刚石厚膜刀片与硬质合金刀体之间的连接可靠，刀具在切削过程中不会产生金刚石厚膜刀片剥离和脱落。
附图说明
图1是本发明的加工工艺流程示意图。
图中：1.基材，2. 阻隔膜，3. 凹模型腔，4. 金刚石厚膜刀片，5. 焊料，6. 硬质合金刀体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种复杂CVD金刚石厚膜刀具的制备方法，它包括以下步骤：
Figure 686591DEST_PATH_IMAGE002
基体准备：选择容易加工，适合金刚石沉积和生长的材料如Si或Mo作为基材1，控制基材的厚度t≥5mm，基体两面先进行研磨处理，然后在其中的一个面上沉积厚度大于5μm的熔点高于1500℃且金刚石不易成核和生长的材料Co、Al2O3或Fe中的一种作为阻隔膜2，阻隔膜2沉积方法可采用溅射法、离子镀、化学气相沉积法等；
Figure 679955DEST_PATH_IMAGE004
模具加工：在基材1上有阻隔膜2的一面上加工出与最终刀具形状和尺寸一致的凹模型腔3，并对凹模型腔3进行研磨抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.02μm，以便于在型腔表面沉积出表面光滑的CVD金刚石厚膜刀片；
Figure 496601DEST_PATH_IMAGE006
模具型腔的预处理：采用纳米金刚石悬浊液对研磨抛光后的凹模型腔进行超声波处理，处理时间为20～40min，以便于CVD金刚石在型腔表面成核；
Figure 295930DEST_PATH_IMAGE008
沉积：采用CVD沉积法在凹模型腔3内沉积厚度大于0.5mm的复杂CVD金刚石厚膜刀片4，CVD沉积法与现有技术相同，为常规参数；
Figure 819315DEST_PATH_IMAGE010
脱模：在基体降温过程中，当包含复杂CVD金刚石厚膜刀片4的基体温度下降到600℃时在2分钟内快速降温到400℃，在热应力作用下实现复杂CVD金刚石厚膜刀片4与凹模型腔3接触面分离，获得自支撑的复杂CVD金刚石厚膜刀片4；
Figure 249159DEST_PATH_IMAGE012
去应力：采用惰性气体（含量98%）与氢气（含量2%）的混合气体为保护气体，控制真空室的气压使之小于5kPa，在600℃～650℃的温度下对复杂金刚石厚膜刀片4做退火处理，退火保温2小时，然后缓慢冷却到室温；
Figure 553102DEST_PATH_IMAGE014
焊接：采用银铜钛基焊料5进行真空钎焊，将复杂CVD金刚石厚膜刀片4焊接在形状和尺寸相配的硬质合金刀体6上即得到复杂金刚石厚膜刀具。
本发明所述的复杂CVD金刚石厚膜刀片是指刀片的形状为非单一平面结构的形状，尤其是指具有曲面或多切削刃的刀片。
整个工艺流程如图1所示。
实例。
用多晶Mo作为基体材料，基体切割成60mm×60mm×8mm的方块。基体两面研磨处理后在其中的一个面上沉积厚度为8μm的Co阻隔膜。在基材有阻隔膜的面上加工出36个沉积金刚石车刀片凹模型腔，凹模型腔的长度5mm，深度2.8mm，凹模型腔内表面粗糙度Ra=0.05μm。凹模型腔对应的金刚石车刀片前角18o，后角7o，主偏角87o，副偏角32o，刃倾角5o，刃口半径0.1mm，刀尖圆弧半径0.2mm。基材上36个凹模型腔在基材上等间距均匀排布。采用纳米金刚石粒度2~5nm的含纳米金刚石粉0.5%的悬浊液对研磨抛光后的凹模型腔进行超声波处理，处理时间为30min。采用热丝CVD法沉积复杂CVD金刚石厚膜刀片，沉积时间60小时。降温过程中基体温度从600℃降温到400℃用时5min，金刚石厚膜车刀片在热应力作用下与凹模型腔自动分离。改变沉积室气氛为采用98%Ar+2%H2，控制真空室的气压为3kPa，在650℃的温度下对复杂金刚石厚膜车刀片退火处理，退火保温2小时。采用银铜钛基焊料将复杂CVD金刚石厚膜车刀片焊接在硬质合金刀体上制成复杂金刚石厚膜车刀，用该厚膜车刀切削高硅铝合金，刀具具有优越的切削性能。使用寿命比传统的刀具提高10倍。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种复杂CVD金刚石刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：
Figure 2012101001303100001DEST_PATH_IMAGE002
基体准备：基体厚度t≥5mm，基体两面先进行研磨处理，然后在其中的一个面上沉积厚度大于5μm的阻隔膜；
模具加工：在基材有阻隔膜的一面上加工出与刀具形状和尺寸一致的凹模型腔，并对凹模型腔进行研磨抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.02μm；
Figure 2012101001303100001DEST_PATH_IMAGE006
凹模型腔的预处理：采用纳米金刚石悬浊液对研磨抛光后的凹模型腔进行超声波处理，处理时间为20～40min；
Figure 2012101001303100001DEST_PATH_IMAGE008
沉积：采用CVD沉积法在凹模型腔内沉积厚度大于0.5mm的、与最终刀具形状和尺寸一致的复杂CVD金刚石厚膜刀片；
Figure 2012101001303100001DEST_PATH_IMAGE010
脱模：在基体降温过程中，当基体温度下降到600℃时在2分钟内快速降温到400℃，在热应力作用下实现复杂CVD金刚石厚膜刀片与凹模型腔接触面分离；
去应力：将复杂CVD金刚石厚膜刀片放在有保护气体的真空中在600℃～650℃的温度下退火处理，退火保温2小时，然后缓慢冷却到室温；
Figure 2012101001303100001DEST_PATH_IMAGE014
焊接：将去应力后的复杂CVD金刚石厚膜刀片焊接在形状和尺寸相配的硬质合金刀体上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的基体的材料应该同时具备两个特征：
Figure 925030DEST_PATH_IMAGE002
容易加工，
Figure 842170DEST_PATH_IMAGE004
适合金刚石沉积和生长。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的阻隔膜材料应该同时具备两个特征：熔点高于1500℃，
Figure 79434DEST_PATH_IMAGE004
金刚石不易成核和生长。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的去应力时采用的保护气体为惰性气体与氢气的混合气体，混合气体的体积比为98：2，真空室气压小于5kPa。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的复杂刀具为金属切削刀具、复合材料加工刀具或木工刀具。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的焊接是采用银铜钛基焊料真空钎焊。
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