CN108580412A - 金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法 - Google Patents

金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法 Download PDF

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Abstract

一种金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法，将清洗后的待处理刀具阵列置于配有阶梯形热丝的真空反应室中，对热丝施加电压并调节真空室内压力进行预热，然后依次在氧气氛围及氧气和氩气混合氛围下使得刀具表面的金刚石薄膜进行氧化作用，再经快速冷却处理，通过薄膜内应力积聚降低薄膜与基体间的附着强度，实现刀具脱膜。本发明利用化学气相法将磨损或破损的金刚石薄膜在热应力场的氧化反应的作用下去除，为重新在脱膜后的刀具进行金刚石薄膜沉积提供基体刀具，大量节约价格昂贵的硬质合金基材。

Description

金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属表面处理领域的技术，具体是一种金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法。
背景技术
当金刚石涂层刀具的表面涂层发生磨损时，而刀具基体仍然完好。由于金刚石薄膜的高硬度等特性，磨损后的金刚石涂层刀具已不适合重新刃磨，磨损达到一定程度，整个刀具就要报废处理。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法，利用化学气相法将磨损或破损的金刚石薄膜在热应力场的氧化反应的作用下去除，为重新在脱膜后的刀具进行金刚石薄膜沉积提供基体刀具，不仅大量节约价格昂贵的硬质合金基材，更为绿色制造方法的实现提供重要技术支撑，还能为切削加工行业的相关企业带来巨大的经济效益。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明将清洗后的待处理刀具阵列置于配有阶梯形热丝的真空反应室中，对热丝施加电压并调节真空室内压力进行预热，然后依次在氧气氛围及氧气和氩气混合氛围下使得刀具表面的金刚石薄膜进行氧化作用，再经快速冷却处理，通过薄膜内应力积聚降低薄膜与基体间的附着强度，实现刀具脱膜。
所述的清洗是指：利用有机溶剂对磨损的金刚石涂层刀具进行超声清洗并吹干。
所述的调节真空室内压力是指：将化学气相设备的真空室抽至5Pa以下后，通入气体并保持压力，加载热丝功率至9000W，在刀具的基体表面形成阶梯形温度场并保持5分钟。
所述的阶梯型温度场是指：沿着刀具从刀刃到刀柄的轴线方向，温度呈100度/cm的梯度分布，实现刀刃涂层部位的温度高于刀柄部位，使得满足脱膜反应所需的温度，又不会使得刀柄部位的材质受到高温的影响。
所述的氧气氛围，其用量为：以40～60sccm的速度通入至真空室内，利用真空调压阀，使得真空室内的压力值在2200～2800Pa，并保持氧化反应15～25分钟。
所述的氧气和氩气混合氛围，其用量为：以40～60sccm的速度通入至真空室内，利用真空调压阀调节真空室内的压力值在1000～1400Pa，并保持20分钟。
所述的快速冷却处理是指：去除施加于热丝上的电压，使得热丝功率由9000W突变至0W后向真空室内以500～1000sccm的流量通入氢气，并保持真空室内的压力为2000～3000Pa，利用金刚石薄膜与硬质合金材料热膨胀系数差异的原理，同样的温度变化引起两种材料的收缩率差异，从而实现薄膜从基体脱落。
本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：设置于底座上的刀具支撑夹具、位于刀具支撑家具上方呈阶梯型排列的若干组热丝以及设置于刀具支撑夹具下的冷却机构，其中：热丝的两端分别与相对设置的一对热丝张紧装置相连。
所述的阶梯型排列是指：以刀具支撑夹具上的待处理刀具顶部为起点，向刀柄方向每隔15mm的距离布置一层热丝且每行刀具支撑夹具两侧对称分布，从而保证刀刃与刀柄连接部位下方10mm范围内有热丝分布。
所述的热丝张紧装置的两端设有电极柱。
所述的冷却机构采用但不限于水冷冷却机构。
技术效果
与现有技术相比，本发明利用硬质合金基体金刚石薄膜沉积的逆向原理技术，通过对脱膜反应工艺参数的可控调节，实现不同尺寸规格的平片式和整体式金刚石涂层刀具的脱膜生产工艺，操作简单，并适用于规模化工业生产。显著提高报废金刚石涂层刀具的回收利用率，同时节约硬质合金材料的消耗。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例1的结构示意图；
图3为本发明实施例2的结构示意图；
图中：电极柱1、热丝张紧装置2、热丝3、电极柱锁紧装置4、支撑台5、冷却水进水管6、刀具支撑夹具7、冷却水出水管8。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本实施例涉及的一种金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜装置，包括：电极柱1、热丝张紧装置2、热丝3、电极柱锁紧装置4、支撑台5、冷却水进水管6、刀具支撑夹具7、冷却水出水管8。
本实施例中待处理的已磨损的金刚石涂层硬质合金刀具规格为：整体式四刃平头铣刀，直径6mm，刃长(涂层部分)20mm，未涂层的刀柄长度40mm；数量40支。
本实施例具体包括以下步骤：
①将涂层刀具浸没于丙酮溶液，超声清洗10分钟，吹干；将涂层刀具置于支撑台5表面的刀具支撑夹具7中，在保持刀具平稳的前提下，尽可能地使得露出刀具支撑夹具7的刀柄部分长度约5至10mm，以利用热丝3的热源后，使得硬质合金基体钴元素热扩散作用增强。
所述的热丝3，其布置方式为：从刀具顶部开始往刀柄的方向，每隔15mm的距离布置一层热丝3，刀具两侧对称分布，保证刀刃与刀柄连接部位下方10mm范围内有热丝分布，如图1所示，在工作平台分布为5排，18根热丝按垂直方向间隔距离15mm对称布置于刀具周围。
②装夹定位好已清洁的刀具，对真空反应室进行抽真空，真空室内的压力低于5Pa时，通入50sccm的氧气，调节真空室内的压力值在2200Pa，加载热丝功率至9000W，保持反应20分钟。
③通入50sccm的氩气，调节真空室内的压力值在1000Pa，保持反应20分钟。
④迅速降低热丝功率至0，关闭氧气和氩气的流量计开关。
⑤向真空室内通入500sccm的氢气，并保持真空室内的压力保持在2000Pa，待真空室内的温度冷却到室温，打开真空室，取出刀具，清洗烘干。至此，脱膜工艺完成。
工具显微镜检测，40支刀具原涂层的部位无可见薄膜，基体形貌恢复至原涂层前的状态。
实施例2
本实施例中待处理的已磨损的金刚石涂层硬质合金刀具规格：整体式两刃球头铣刀，直径8mm，刃长(涂层部分)20mm，未涂层的刀柄长度60mm；数量40支。
本实施例具体包括以下步骤：
①将40支刀具浸没于丙醇溶液，超声清洗10分钟，吹干。装夹于工作台中，如图3所示，在工作平台分布为5排，18根热丝按垂直方向间隔距离15mm对称布置于刀具周围。
②启动抽气系统，待真空室内压力低于5Pa时，通入50sccm的氧气，调节真空室内的压力值至2800Pa，加载热丝功率至9000W，保持反应20分钟。
③通入50sccm的氩气，调节真空室内的压力值至1400Pa，保持反应20分钟。
④迅速关闭热丝功率至0，关闭氧气和氩气的流量计开关。
⑤通入800sccm的氢气，并保持真空室内的压力保持在3000Pa，真空室内的温度冷却到室温，打开真空室，取出刀具。工具显微镜检测，40支刀具原涂层的部位无可见薄膜，基体形貌恢复至原涂层前的状态。
实施例3
本实施例中待处理的已磨损的金刚石涂层硬质合金刀具规格：整体式四刃球头铣刀，直径10mm，刃长(涂层部分)20mm，未涂层的刀柄长度80mm；数量40支。
本实施例具体包括以下步骤：
①将40支刀具浸没于丙醇溶液，超声清洗10分钟，吹干。装夹于工作台中，在工作平台分布为5排，18根热丝按垂直方向间隔距离15mm对称布置于刀具周围。
②启动抽气系统，待真空室内压力低于5Pa时，通入50sccm的氧气，调节真空室内的压力值至2500Pa，加载热丝功率至9000W，保持反应20分钟。
③通入50sccm的氩气，调节真空室内的压力值至1200Pa，保持反应20分钟。
④迅速关闭热丝功率至0，关闭氧气和氩气的流量计开关。
⑤通入1000sccm的氢气，并保持真空室内的压力保持在2500Pa，真空室内的温度冷却到室温，打开真空室，取出刀具。工具显微镜检测，40支刀具原涂层的部位无可见薄膜，基体形貌恢复至原涂层前的状态。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种金刚石涂层硬质合金刀具的脱膜方法，其特征在于，将清洗后的待处理刀具阵列置于配有阶梯形热丝的真空反应室中，对热丝施加电压并调节真空室内压力进行预热，然后依次在氧气氛围及氧气和氩气混合氛围下使得刀具表面的金刚石薄膜进行氧化作用，再经快速冷却处理，通过薄膜内应力积聚降低薄膜与基体间的附着强度，实现刀具脱膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的调节真空室内压力是指：将化学气相设备的真空室抽至5Pa以下后，通入气体并保持压力，加载热丝功率至9000W，在刀具的基体表面形成阶梯形温度场并保持5分钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的阶梯型温度场是指：沿着刀具从刀刃到刀柄的轴线方向，温度呈100度/cm的梯度分布，实现刀刃涂层部位的温度高于刀柄部位，使得满足脱膜反应所需的温度，又不会使得刀柄部位的材质受到高温的影响。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的氧气氛围，其用量为：以40～60sccm的速度通入至真空室内，利用真空调压阀，使得真空室内的压力值在2200～2800Pa，并保持氧化反应15～25分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的氧气和氩气混合氛围，其用量为：以40～60sccm的速度通入至真空室内，利用真空调压阀调节真空室内的压力值在1000～1400Pa，并保持20分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的快速冷却处理是指：去除施加于热丝上的电压，使得热丝功率由9000W突变至0W后向真空室内以500～1000sccm的流量通入氢气，并保持真空室内的压力为2000～3000Pa，利用金刚石薄膜与硬质合金材料热膨胀系数差异的原理，同样的温度变化引起两种材料的收缩率差异，从而实现薄膜从基体脱落。
7.一种实现上述任一权利要求所述方法的脱膜装置，其特征在于，包括：设置于底座上的刀具支撑夹具、位于刀具支撑家具上方呈阶梯型排列的若干组热丝以及设置于刀具支撑夹具下的冷却机构，其中：热丝的两端分别与相对设置的一对热丝张紧装置相连。
8.根据权利要求7所述的脱膜装置，其特征是，所述的阶梯型排列是指：以刀具支撑夹具上的待处理刀具顶部为起点，向刀柄方向每隔15mm的距离布置一层热丝且每行刀具支撑夹具两侧对称分布，从而保证刀刃与刀柄连接部位下方10mm范围内有热丝分布。
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