CN103741114A - 一种用于加工纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿金刚石涂层铣刀的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于加工纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿金刚石涂层铣刀的制备方法，包括如下步骤：清洗干燥、预处理、抛研工件、用热丝CVD沉积设备形核、生长、沉积涂层金刚石薄膜。本发明解决了钛合金以及二氧化锆等难加材料在切削加工中出现的切削困难、刀具磨损快、崩刃、粘刀等现象。
Description
技术领域
本发明涉及义齿(假牙)加工刀具领域，也可以适用于其他碳纤维、玻璃纤维、陶瓷等难加工材料的切削刀具的制备。尤其涉及一种用于加工纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿金刚石涂层铣刀的制备方法。
背景技术
目前我国牙齿健康达标人口不足1%。调查数据显示，我国35～44岁人群中，牙齿缺失者占36.4%；65～74岁人群中，牙齿缺失占77.89%。随着人们生活水平的提高，对于口腔医疗保健的重视也逐步提高，属于国家二类医疗器械的假牙产品市场需求不断增加。假牙行业早已形成了产业化，假牙行业销售收入呈快速增长趋势，年均增长率10%以上，2013年估计可达8亿元人民币。
国内现在的假牙加工厂主要以固定类假牙的制作为主体加工，活动假牙加工为辅。近年来，临床上使用的牙体和牙列缺损的修复方式，尤其是固定修复体的种类和材料及其修复观念发生了较大变化。计算机辅助设计与制作CAD/CAM的应用范围越来越广，其对提高修、复质量，缩短就诊时间具有重要意义。口腔工作者越来越追求材料的相容性，安全性，以及它的功能和质感。口腔材料标志着口腔修复的主流，材料的仿生化是社会和人类共同的追求。新材料的应用、制备工艺及加工刀具的现代化是口腔假牙修复变迁和发展的根本。
假牙制作材料有金属类材料和非金属材料。在非贵金属材料中，纯钛烤瓷牙和非金属材料的全锆瓷牙以及二氧化锆全瓷牙具有耐磨损、耐腐蚀的特性，它的熔点高达2700摄氏度。是目前应用最广泛的，因为它对人体没有任何毒副作用，生物相容性最好，价格适宜的非金属新材料。
二氧化锆是已经被证实成功用于航天飞机的热屏障、保时捷汽车的制动盘和人造传输带的，二氧化锆的强度远远大于其他所有的全瓷牙。目前的二氧化锆全瓷牙都是用计算机 CAD-CAM技术制作完成的，即激光扫描、计算机辅助设计、三维数控专业机床上加工出适合的牙冠或叫牙桥。此方法制作的二氧化锆全瓷牙有极高的密合性。
二氧化锆硬度在900Mpa-1200Mpa之间,正常人的牙的硬度为300Mpa-400Mpa,二氧化锆的硬度是正常的人牙齿硬度的三到四倍!
钛合金具有强度高而密度小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好的特点，因此钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。但是钛合金的工艺性能差，钛合金的硬度高，切削加工特别困难，容易出现粘刀现象，也难于切削。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的是提供一种用于加工纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿金刚石涂层铣刀的制备方法。本发明“纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿加工金刚石涂层铣刀”可以圆满的解决钛合金以及二氧化锆等难加材料在切削加工中出现的切削困难、刀具磨损快、崩刃、粘刀等现象。
上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于加工纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿金刚石涂层铣刀的制备方法，包括如下步骤：
第一步：清洗干燥：用无水酒精清洗去除基体表面防锈油，然后将清洗的基体放入恒温干燥箱，在1-2分钟内干燥，温度控制在50-60℃；
所述的基体是使用YG6-YG8硬质合金义齿裸刀为涂层纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿加工金刚石涂层铣刀的基体；
第二步：预处理：用预处理溶液在超声波清洗机中刻蚀基体表面即进行“预处理” 50-60min，烘干，用以增加金刚石膜沉积的成核密度；
所述预处理溶液是：用高铁酸钠（Na2FeO4）、氢氧化钾（KOH）、水（H4O2）按重量比1:2:20的比例配制而成；
第三步：抛研工件：用W6金刚石微粉抛研上步预处理后的工件，使基体在涂层金刚石膜之前形成框架基础；
第四步：再次清洗：超声波清洗机中使用丙酮与无水乙醇按照重量比3:7的配比，再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；
第五步：操作设备：将上步烘干的工件置于热丝CVD沉积设备基片台上，（按照距离工件两侧20mm的距离，间隔布置热丝方式）布置热丝（即钨丝），将热丝CVD沉积设备抽真空至热偶计示数为5-6Pa，40-45min，热丝加电压V、电流A逐步加热至1800-2000℃；按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1-2Pa,对热丝及腔体和工件加热；
第六步：形核阶段：上步加热完成后，调节热丝CVD沉积设备的热丝电压V、电流A逐步加热至2600℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1-2Pa，形核时间50 min；
第七步：生长、沉积阶段：上步形核完成后，调节热丝电压V、电流A逐步加热至2800℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar，形成混合气源输入腔室，对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积 5-7小时，金刚石薄膜沉积完毕。
本发明的积极效果在于：本发明具备技术指标及特点（1）硬度：维氏硬度值约为HV9000，这是普通硬质合金钻头或铣刀达不到的；（2）该金刚石膜涂层纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿加工铣刀具有良好的金刚石结构，金刚石薄膜涂层连续、均匀、致密；（3）散热性能好，试验件表面最大温差△Tm=△T1-△T2。根据试验数据计算可得，热流密度20W/c㎡时，铜表面最大温差为28.66C°，金刚石为14.06C°。根据热导率的定义相同工况条件下，CVD金刚石膜在沿热量传递的平面内（忽略热量沿试验件厚度方向上的变化），温度梯度应远小于铜。试验证明，相同工况条件下，金刚石膜面内温度梯度小，温度分布均匀性好，表面最大温差仅为铜的一半。
经义牙加工企业使用，本发明的金刚石膜涂层纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿加工铣刀使用寿命和效率是无金刚石涂层硬质合金铣刀的8-10倍。本发明通过化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)法在硬质合金刀具基体上沉积一层金刚石薄膜制成的纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿加工金刚石涂层铣刀。CVD金刚石薄膜涂层刀具亦具有极高的硬度、很高的耐磨性和良好的韧性，应该成为钛合金、二氧化锆，有色金属、非金属高强度硬脆材料（石墨、碳纤维、玻璃纤维）、高硅铝合金、高耐磨材料等难加工材料的首选刀具之一。
附图说明
图1为金刚石涂层二氧化锆义齿铣刀生产工艺流程图。
具体实施方式
为进一步描述本发明，以下以具体的实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不仅限于此。热丝CVD沉积设备为现有技术，所以不再累赘。
实施例1：以R1.0×Φ4×15×45园头铣刀（以下简称“工件”）为例：
用无水酒精清洗去除工件表面防锈油，然后将清洗的工件放入恒温干燥箱，在1分钟内干燥，温度控制在50-60℃；所述的工件是使用YG6-YG8硬质合金义齿裸刀为涂层纯钛烤瓷牙加工金刚石涂层铣刀的基体。
接下来用预处理溶液在超声波清洗机中刻蚀基体表面即进行“预处理” 50min，烘干，用以增加金刚石膜沉积的成核密度，预处理溶液是：用高铁酸钠（Na2FeO4）、氢氧化钾（KOH）、水（H4O2）按重量比1:2:20的比例配制而成；
然后用W6金刚石微粉抛研上步预处理后的工件，使基体在涂层金刚石膜之前形成框架基础；
再次清洗：超声波清洗机中使用丙酮+无水乙醇（3:7配比）再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；
然后将上步烘干的工件置于热丝CVD沉积设备基片台上，（按照距离工件两侧20mm的距离，间隔布置热丝方式）布置热丝，将热丝CVD沉积设备抽真空至热偶计示数为5Pa，40min，热丝加电压V、电流A逐步加热至1800℃；按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1-2Pa,对热丝及腔体和工件加热；
加热完成后，调节热丝CVD沉积设备的钨丝电压V、电流A逐步加热至2600℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1Pa，形核时间50 min；
形核完成后，调节热丝电压V、电流A逐步加热至2800℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar，形成混合气源输入腔室，对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积 5小时，金刚石薄膜沉积完毕。
实施例2：以Φ0.4×Φ4×25×75硬质合金铣刀（简称“基体”）为例：
1、用无水酒精清洗去除基体表面防锈油，然后将清洗的基体放入恒温干燥箱，在1.5分钟内干燥，温度控制在60℃；
2、接下来用预处理溶液在超声波清洗机中刻蚀基体表面即进行“预处理” 60min，烘干，用以增加金刚石膜沉积的成核密度，预处理溶液是：用高铁酸钠（Na2FeO4）、氢氧化钾（KOH）、水（H4O2）按重量比1:2:20的比例配制而成；
3、然后用W6金刚石微粉抛研上步预处理后的工件，使基体在涂层金刚石膜之前形成框架基础；
4、再次清洗：超声波清洗机中使用丙酮+无水乙醇（3:7配比）再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；
5、然后将上步烘干的工件置于热丝CVD沉积设备基片台上，（按照距离工件两侧20mm的距离，间隔布置热丝方式）布置热丝，将热丝CVD沉积设备抽真空至热偶计示数为6Pa， 45min，热丝加电压V、电流A逐步加热至2000℃；按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1-2Pa,对热丝及腔体和工件加热；
6、加热完成后，调节热丝CVD沉积设备的热丝电压V、电流A逐步加热至2600℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至2Pa，形核时间50 min；
7、形核完成后，调节热丝电压V、电流A逐步加热至2800℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar，形成混合气源输入腔室，对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积7小时，金刚石薄膜沉积完毕。
Claims (1)
1.一种用于加工纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿金刚石涂层铣刀的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：清洗干燥：用无水酒精清洗去除基体表面防锈油，然后将清洗的基体放入恒温干燥箱，在1-2分钟内干燥，温度控制在50-60℃；
所述的基体是使用YG6-YG8硬质合金义齿裸刀（没有任何涂层的光刀）为涂层纯钛烤瓷牙、二氧化锆义齿加工金刚石涂层铣刀的基体；
第二步：预处理：用预处理溶液在超声波清洗机中刻蚀基体表面即进行“预处理” 50-60min，烘干，用以增加金刚石膜沉积的成核密度；
所述预处理溶液是：用高铁酸钠（Na2FeO4）、氢氧化钾（KOH）、水（H4O2）按重量比1:2:20的比例配制而成；
第三步：抛研工件：用W6金刚石微粉抛研上步预处理后的工件准备做金刚石涂层的部位，使基体在涂层金刚石膜之前形成框架基础；
第四步：再次清洗：超声波清洗机中使用丙酮与无水乙醇按照重量比3:7的配比再次进行脱脂、去污、清洗、干燥；
第五步：操作设备：将上步烘干的工件置于热丝CVD沉积设备基片台上，将热丝CVD沉积设备抽真空至热偶计示数为5-6Pa，40-45min，热丝逐步加热至1800-2000℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1-2Pa；
第六步：形核阶段：上步加热完成后，调节热丝CVD沉积设备的热丝电压V、电流A逐步加热至2600℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar至1-2Pa，形核时间50 min；
第七步：生长、沉积阶段：上步形核完成后，调节热丝电压V、电流A逐步加热至2800℃，按体积比2:2:1的比例同时输入C、H和Ar，形成混合气源输入腔室，对工件加负偏压4A，调节真空压力至110KPa，沉积 5-7小时，金刚石薄膜沉积完毕。
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