CN103770223B - 纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用，其特征在于：（1）所述的刀具为球头铣刀，刃部螺旋槽的螺旋角为30度，刃长2mm；（2）刀具刃部的顶部有一V型槽，V型槽与刀具中心垂直方向夹角α=1‑5°，β=18‑25°，V型槽深度随刀具直径变化而变化，V型槽深度S值是刀具直径Ф值的10‑18%；（3）刀具的刃部为纳米金刚石涂层，纳米金刚石颗粒直径为20‑50nm。头部直径为2‑10mm。当头部直径≤4mm时，刀柄直径为≤4mm，柄部直径为4mm；当球头直径>4mm时，柄部直径与头部直径相同。提供的涂层刀具应用于口腔修复预烧结陶瓷加工时走刀量为1400mm/min，主轴速度为25000rpm。有效排出切削形成的粉末，减少断刀现象，寿命提高25‑30%。

Description

纳米金刚石涂层刀具及其在口腔修复陶瓷加工中的应用

技术领域

本发明涉及一种纳米金刚石涂层刀具及其应用，更确切地说所述的纳米金刚石涂层刀具，是一种用于预烧结陶瓷加工的刀具，属于机械加工制造技术领域。

背景技术

陶瓷材料因其独特的分子构成而具有许多优良的物理、化学、机械性能，如较高的硬度和强度，较强的耐腐蚀、耐磨损、耐高温能力等，在航空航天、石油化工、海洋开发、电器电子、汽车以及制造领域的应用日益广泛。然而陶瓷材料作为一种典型的脆性材料，其难加工性限制了它的进一步应用。

近几年，陶瓷材料已成为一类备受关注并且具有广泛应用前景的口腔修复材料，是最逼真的牙体组织人工替代材料，具有良好的生物相容性、在口腔环境中的化学稳定性，以及与自然牙相似的热导率和自然牙釉相似的磨损率，应用最为广泛的就是氧化锆陶瓷。

20世纪90年代初，氧化锆陶瓷用于口腔修复领域，经历了两个阶段：致密陶瓷切削阶段和预烧结多孔陶瓷切削阶段。前者是将烧结致密的氧化锆瓷块切削加工，由于氧化锆的强度非常高，切削困难，对刀具的要求高，磨耗大，加工时间长，使它的应用受到限制。90年代后期，相继出现了数个多孔陶瓷切削系统，采用的工艺大致相同。氧化锆通过压制成型并预烧结到一定温度，此时的瓷坯疏松多孔但又具备一定的强度，非常便于切削加工。通过计算机放大切削到所需形状，以补偿再次烧结过程中的体积收缩，最后将加工好修复体放入高温烧结炉中烧结到完全致密。

在日常预烧结陶瓷时，陶瓷加工材料是以粉末的形式被磨除，陶瓷粉末容易对刀具产生研磨作用，使刀具钝化，从而影响刀具使用寿命，并且容易在加工过程中造成绷瓷现象。普通刀具在加工过程中由于排屑较慢，陶瓷粉末在刀具槽中堆积，对刀具形成挤压，也容易造成断刀现象；选择合适的刀具材料和刀具结构，能明显延长刀具的使用寿命，提高陶瓷的可加工性。遗憾的是，有关报道甚少。

金刚石涂层刀具可明显提升刀具刃部的耐磨性，提高刀具加工寿命和加工精度。加工预烧结陶瓷时，由于陶瓷是典型的脆性材料，普通金刚石涂层刀具由于涂层颗粒较大，刀具刃部锋利度降低，容易造成加工陶瓷薄壁时陶瓷崩裂，并在陶瓷内部产生裂纹。而纳米金刚石涂层刀具由于涂层颗粒小，能够很好的保持刀具刃部锋利，解决加工陶瓷时的绷瓷和裂纹问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米金刚石涂层刀具，在硬质合金基体上进行纳米金刚石涂层，纳米金刚石涂层与普通金刚石涂层相比，颗粒细微，不仅能够增加刀具的耐磨性，而且能够更好的保持刀具刃部的锋利，且本发明独特的结构设计，有利于加工过程中陶瓷粉末的排屑，提高刀具的使用寿命。本发明提供的纳米金刚石涂层刀具如图1所示，包括刃部和柄部，其特征在于：

（1）本发明刀具为球头铣刀，如图1所示，刃部螺旋槽的螺旋角为30度，刃长2mm，有效长度18mm，总长50mm。

（2）本发明刀具刃部的顶部有一V型槽，如图2所示，V型槽与刀具中心垂直方向夹角α=1-5°，β=18-25°，V型槽深度随刀具直径变化而变化，V型槽深度S值是刀具直径Ф值的10-18%。与普通球头铣刀相比，本发明所述的陶瓷加工用刀具顶部设计有V型槽。这是因为与普通金属加工不同，陶瓷加工是以粉末磨削的方式完成，加工过程中，细小的陶瓷粉末容易堵塞在螺旋槽中，堆积的陶瓷粉末对刀具形成挤压，容易造成断刀而影响加工进程，同时堆积的陶瓷粉末若不及时排除，也会与加工刀具形成对磨，加速刀具刃部的钝化，影响刀具的使用寿命。V型槽可使加工磨除的陶瓷粉末迅速排出，有效避免陶瓷粉末的堆积，延长刀具使用寿命，提高预烧结陶瓷的可加工性。

（3）本发明刀具刃部为纳米金刚石涂层，纳米涂层微观颗粒粒径为20-50nm。普通金刚石涂层微观颗粒粒径为10-12μm。纳米金刚石涂层与普通金刚石涂层特性一样，高硬度、高强度、耐化学腐蚀，高热导系数，低摩擦系数，这些特性都有助于提高刀具的加工特性，延长刀具使用寿命。纳米金刚石涂层与普通金刚石涂层相比，如图3所示，纳米金刚石颗粒更小，由于金刚石涂层是在基体表面无定向生长的，普通金刚石涂层如图3(b)所示，颗粒大，涂层表面由于金刚石颗粒的无序排列造成涂层表面粗糙度较高，在加工预烧结陶瓷时，磨除的陶瓷粉状颗粒堆积在金刚石颗粒中，对刀具形成挤压，小刃径刀具容易断刀。纳米金刚石涂层，如图3(a)所示，颗粒较小，涂层的表面光洁度高，刀具刃部纳米颗粒的附着力比普通金刚石涂层颗粒的附着力高，且由于金刚石涂层颗粒的无定向生长，普通金刚石涂层的大颗粒容易降低刀具刃部的锋利度，而纳米金刚石涂层由于颗粒小，能最大限度保持刀具刃部的锋利度，提高刀具的加工性能。陶瓷材料脆性大，在加工陶瓷义齿时，刀具刃部锋利度在加工过程中下降，容易造成陶瓷薄壁部分绷瓷，而纳米金刚石涂层刀具锋利度较高，且由于金刚石涂层刀具比普通刀具耐磨，能明显提高刀具的使用寿命，减少换刀时间，提高加工效率。

（4）纳米涂层刀具光洁度较高，在提高刀具有效寿命的同时，还能够在切削陶瓷薄壁材料时候保持锋利度，极大的降低了陶瓷材料被切割后内裂纹的可能性。而普通涂层刀具表面较为粗糙，刀具刃部锋利度降低，容易在加工陶瓷材料时，在薄壁处出现绷瓷，并在陶瓷材料内部出现裂纹。

（5）在口腔修复预烧结陶瓷加工时的切削参数为：走刀量1400mm/min，主轴转速25000rpm。将纳米金刚石涂层刀具与普通涂层刀具在相同加工条件下进行对比，普通金刚石涂层刀具使用寿命为400颗氧化锆陶瓷义齿，而纳米金刚石涂层刀具使用寿命提高25-30%，通常为500颗以上氧化锆陶瓷义齿。经验证，本发明与普通金刚石涂层刀具相比，使用寿命更长，且能明显减少加工过程由于薄壁处绷瓷和陶瓷裂纹而导致的残次品现象。

总之，目前纳米金刚石涂层刀具应用于陶瓷加工领域鲜有报道，在口腔修复陶瓷加工领域，目前广泛使用的是普通刀具，并没有针对陶瓷加工特性而设计的专用刀具，而陶瓷是比较难加工的材料，若使用普通刀具，加工寿命短，需要经常换刀，影响加工效率，本发明不仅能够明显提高加工效率，还能提升陶瓷的加工质量，因此本发明有着广泛的实际需求。经验证，本发明与普通刃形刀具相比，在加工预烧结陶瓷时，能有效排出切削形成的陶瓷粉末，减少断刀现象，明显减少换刀时间，提高了加工效率。

附图说明

图1是本发明提供的纳米金刚石涂层刀具的结构示意图。

图2是图1所述刀具的刃部结构示意图。

图3(a)是图1所述刀具的纳米金刚石涂层电子显微镜扫描图，图3(b)是普通金刚石涂层电子显微镜扫描图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述，以阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1本发明提供的纳米金刚石涂层刀具制作

步骤1：选择合适的硬质合金基体材料

由于涂层工艺在高温800℃以上进行，因此所选择的基体材料应为硬质合金。在涂层工艺之前，选择合适的硬质合金基体材料进行表面处理，对涂层效果和金刚石涂层的附着力有重要影响。由于在硬质合金材料中，Co是重要的硬质合金粉末的粘结剂，且Co可增强材料的韧性，因此Co是硬质合金基体材料的重要元素。但是Co的存在会给金刚石的成膜带来负面影响，因此应将Co的含量控制在合理范围内。选用的硬质合金基体材料中Co的质量百分含量控制在6％以内，硬质合金基材且材料的粒径尺寸在1至3μm之间。

步骤2：刀具的成型加工

本发明提供的适用于预烧结陶瓷加工的纳米金刚石涂层刀具，包括刃部和柄部，如图1所示，头部直径2-10mm，具体可为2mm，4mm，6mm，8mm，10mm等多种尺寸，当头部直径≤4mm时，柄部直径为4mm；当头部直径＞4mm时，柄部直径与头部直径相同。目前使用最为广泛的是头部直径为2mm的这一规格。刃部螺旋槽的螺旋角为30度，刃长2mm，有效长度18mm，总长50mm。

本发明提供的纳米金刚石涂层刀具，刀具刃部的顶部有一V型槽，如图2所示，优先推荐的V型槽与刀具中心垂直方向夹角α=3°，β=20°，V型槽深度随刀具直径变化而变化，V型槽深度S值是刀具直径Ф值的15%。

步骤3：刀具涂层的预处理

刀具刃部(需要涂层的部位)表面经特定工艺处理去除钴，使纳米金刚石在刀具表面易于生长，且在表面形成微孔，易于与金刚石涂层的结合，提高基体材料与金刚石涂层的粘附力。所述的特定工艺是使用双氧水进行腐蚀，在硬质合金基体材料表面形成微孔，再用乙醇溶液在超声波中清洗、晾干。

步骤4：纳米金刚石涂层

将硬质合金刀具放在夹具上，置于反应腔体中，利用热丝CVD在刀具刃部表层制备金刚石涂层，含碳气源在高温下的真空腔体中分解离化后产生原子碳，在沉积基体表面重新键合成纳米金刚石晶相结构，并逐渐形成结晶的纳米金刚石涂层。纳米金刚石颗粒直径介于20-50nm范围。

所述的热丝温度1800-2000℃，基体温度控制在800-1000℃，在甲烷、氢气和氮气的混合气体环境中，CH₄体积百分浓度为8%-13%，CH₄/H₂体积比为0.2-0.3，N2/H2体积比为0.1～0.4，反应压力为0.16-10kPa。

步骤5：成品清洁

将完成涂层的刀具表面的残余石墨灰用吸尘器吸除。

实施例2

使用实施例1提供的纳米金刚石涂层刀具，在口腔修复预烧结陶瓷加工时走刀具为1400mm/min，主轴速度为25000rpm，与普通金刚石涂层刀具相比使用寿命提高25-30%。

Claims (8)

1.一种在口腔陶瓷加工中应用的纳米金刚石涂层刀具，包括刃部和柄部，刃部螺旋槽的螺旋角为30度，刃长2mm，其特征在于：

(1)刀具的刃部为纳米金刚石涂层，纳米金刚石颗粒直径为20-50nm；

(2)刀具刃部的顶部有一V型槽，V型槽与刀具中心垂直方向夹角α＝1-5°，β＝18-25°，V型槽深度随刀具直径变化而变化，V型槽深度S值是刀具直径Ф值的10-18％；

(3)所述的刀具为球头铣刀。

2.按权利要求1所述的刀具，其特征在于头部直径为2-10mm。

3.按权利要求2所述的刀具，其特征在于当球头的头部直径≤4mm时，刀柄直径为≤4mm，柄部直径为4mm；当球头直径>4mm时，柄部直径与头部直径相同。

4.按权利要求1所述的刀具，其特征在于V型槽与刀具中心垂直方向夹角α＝3°，β＝25°，V型槽深度S值是刀具直径Ф值的15％。

5.按权利要求1～4中任一项所述的刀具，其特征在于应用于口腔修复预烧结陶瓷加工时走刀量为1400mm/min，主轴速度为25000rpm。

6.按权利要求5所述的刀具，其特征在于有效排出切削形成的陶瓷粉末，减少断刀现象，使用寿命提高25-30％。

7.制作如权利要求1～4中任一项所述的刀具的方法，其特征在于：

步骤1：选择Co含量控制在<6％的硬质合金，且材料的粒径为1-3μm；

步骤2：刀具的成型加工

头部直径为2-10mm，刀具刃部的顶部有一V型槽，V型槽的螺旋角为30度，刃长2mm，有效长度为18mm，总长为50mm；V型槽与刀具中心垂直方向夹角α＝1-5°；

步骤3：刀具涂层的预处理

需要涂层的刀具刃部部位表面经特定工艺处理去除钴，使纳米金刚石在刀具表面易于生长，且在表面形成微孔，易于与金刚石涂层的结合，提高基体材料与金刚石涂层的粘附力；所述的特定工艺是使用双氧水进行腐蚀，在硬质合金基体材料表面形成微孔，再用乙醇溶液在超声波中清洗、晾干；

步骤4：纳米金刚石涂层

将经步骤3处理后的硬质合金刀具放在夹具上，置于反应腔体中，利用热丝CVD在刀具刃部表层制备金刚石涂层，含碳气源在高温下的真空腔体中分解离化后产生原子碳，在沉积基体表面重新键合成纳米金刚石晶相结构，并逐渐形成结晶的纳米金刚石涂层；所述的热丝温度1800-2000℃，基体温度控制在800-1000℃；

步骤5：成品清洁

将完成涂层的刀具表面的残余石墨灰用吸尘器吸除。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于所述的含碳气源组成为甲烷、氢气和氮气的混合气体，其中CH₄体积百分浓度为8％-13％，CH₄/H₂体积比为0.2-0.3，N2/H2体积比为0.1～0.4，反应压力为0.16-10kPa。