CN1258582A - 一种制作金刚石薄膜刀具、工具的方法 - Google Patents

一种制作金刚石薄膜刀具、工具的方法 Download PDF

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一种制做金刚石薄膜刀具、工具的方法,包括在刃具基质上整体涂覆金刚石薄膜,然后按照刀头形状切割,焊接在刀体,或者把刃具基质按照所需刀头形状切割后拼接在一起,涂覆金刚石薄膜,把涂覆后的刀头焊接在刀体上,即制成金刚石薄膜刀具或工具。该方法工艺稳定性好,刀具磨损后可重磨使用,适于工业化生产。

Description

一种制作金刚石薄膜刀具、工具的方法
本发明涉及一种金刚石薄膜刀具、工具的制备方法，具体涉及CVD金刚石膜后切割成刀具的制备方法。
制做金刚石薄膜刀具的传统方法早已公开，是把待使用的刀片经处理后直接放在涂覆炉里涂覆金刚石薄膜，然后直接使用。如参考文献：1.N.kikuchi，H.eto，T.okamura and H.Yoshjmura，Applications ofDiamend Films and Related Material.(c)Eleselier SciencePublishers BV，1991；2.Michael Seal，Applications of Diamond Films and Related Materials.Third International Conference 1995。
这些文章所描述的方法由于以下缺点，使得金刚石薄膜刀具的生产、使用受到限制。1.很难在刀片锋利的刃口上均匀涂覆金刚石薄膜，因为在锋利的刃口上很难进行涂覆金刚石薄膜前的处理工作，比如用金刚石粉研磨，导致锋利的刃口由于未很好进行前处理而不易涂覆；还因为涂覆所用气体在涂覆炉里快速流动，在锋利的刃口处引起的边缘效应会使在刃口处的涂覆很困难；另外，涂覆时也很难控制刃口温度均匀一致，而不均匀的温度分布不能得到均匀涂覆。2.在刀具锋利的刃口上涂覆金刚石薄膜其厚度难以掌握，会使刃口变钝而限制刀具的使用范围。3.直接涂覆的金刚石薄膜刀具刃口无法抛光，使刀具在使用过程中易粘刀，影响刀具的使用。4，直接涂覆的刀片是整体涂覆的，利用率低，生产效率低。5，直接涂覆的刀片只能一次性使用。
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种方法，仅在刀具刃口涂覆，而无需涂覆其它面。
本发明的金刚石刀具的制备方法包括：在刃具基质上CVD涂覆金刚石，按所需刀头形状切割；或者将按刀头形状切割好的刃具基质基本拼成一体再进行CVD涂覆金刚石膜；然后抛光刀头金刚石膜面；焊接在刀体上，用磨刀机精修。
这样做导致在大片的刃具基质上的涂覆前处理，例如用金刚石粉研磨刃具基质表面变得很简单，在刀尖刃口处涂覆所引起的边缘效应影响不复存在，大片刃具基质在涂覆时温度控制非常容易，这三点对涂覆金刚石膜非常重要。
图1是本发明制备车刀的一个实施方案简图。
图2是本发明制备铣刀的一个实施方案简图。
图3是本发明制备铣刀的一个实施方案简图。其中：101指已涂覆金刚石薄膜的刃具基质；102指已切割的刀粒；103指已完成的金刚石薄膜车刀。201指已涂覆金刚石薄膜的刃具基质；202指已切割的刀片；203指已完成的金刚石簿膜铣刀。301指已涂覆金刚石薄膜的刃具基质；302指已切割的刀片；303指已完成的金刚石簿膜铣刀。
在涂覆金刚石薄膜的刃具基质应用较多是硬质合金、钢铁类等，由于这些材料的热膨胀系数比金刚石大几倍，在涂覆时从700℃以上的温度降到室温过程中，由于热应力的影响，如果金刚石膜较厚，则易脱落或影响使用效果；若金刚石膜太薄则没有金刚石应带来的明显效果，因此本发明金刚石膜厚度优选1-100微米，更优选5-50微米。
在刃具基质涂覆CVD金刚石薄膜时，对基质的表面形状没有特殊限制，例如可以是平面、球面、柱面或其它形状。这就极大拓展了本发明的应用范围。涂覆金刚石膜的表面既可以作为刀具的前刀面，也可作为后刀面，只要保证切削刃上有金刚石膜即可，利用上述特点可以制做金刚石薄膜车刀、铣刀、成形刀具、钻头等。
用CVD的许多方法都可在刃具基质表面涂覆金刚石薄膜，在涂覆前都要对刃具基质表面进行预处理。直流等离子喷射方法的特点是涂覆快，可达40微米/小时，涂层与基质结合良好，涂层整体比较均匀，但刃具基质温度较难控制。本申请人经过长期试验找到所用涂覆工艺的优选参数：气体选用氢气，氩气，甲烷，甲烷/氢气在1％-3％，涂覆温度为700℃-950℃，涂覆压力1KP-10KP。
另外，热丝CVD的特点是刃具基质的表层温度较好控制，涂层均匀。所以本申请人还进行了热丝CVD试验，找到的优选参数是：涂覆速率为5-20微米/小时，涂覆温度700℃-900℃，涂覆压力2KP-8KP，偏流为0.1-0.4A/cm2，所用气体为氢气，甲烷，甲烷/氢气为1％-3％(流量比)。
如前所述，本发明的金刚石薄膜刀具制造方法与传统方法相比有明显的优点，在刃具基质表面涂覆金刚石薄膜后，一般用激光器切割成所需刀头形状，激光束对切缝处的金刚石薄膜烧蚀宽度一般为0.1毫米。在金刚石薄膜较薄的情况下，可用电火花切割，切割处薄膜受损宽度要小得多。然后对刀头抛光，将刀头焊接或粘接到刀体上，再用磨刀机修整，要磨去金刚石薄膜受损部分，这样就完成金刚石薄膜刀具。
本发明方法和直接涂覆金刚石薄膜刀具方法相比，避开了刃口难以涂覆的缺点，利用金刚石薄膜涂覆设备效率高，刃具基质表面容易处理，薄膜和基质结合好，在使用过程中膜不脱落，可重磨后再使用。生产过程稳定，生产出的刀具刃口锋利，加工工件表面粗糙度可达0.08微米，在同一生产线上加工切削，刀具耐用度比末涂覆的硬质合金刀具耐用度提高十几倍到几十倍(被加工材料愈硬，切削速度愈大，倍数愈大)，充分验证了本发明制造金刚石薄膜刀具的方法是非常可取和实用的，况且本发明制造的金刚石薄膜刀具磨损后可重磨，这和直接涂覆金刚石薄膜刀具完全不同，后者只能一次性使用。
下面结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例1：金刚石薄膜车刀的制做。
刃具基质：YG6硬质合金圆片：￠30×3毫米
前处理：酸除钴，40微米金刚石粉研磨，超声波清洗。
涂覆工艺：直流等离子喷射法，甲烷/氢气＝2.8％，涂覆温度940℃，压力9KP，膜厚40微米。
用激光来把圆片切成直角边为4.5毫米的等腰直角三角形，抛光，焊接在刀体上，金刚石薄膜在前刀面，用磨刀机修整，即做成金刚石薄膜车刀，如图1。
用这种车刀在生产线上切削铝硅合金，同样的加工参数：加工工件是YG6硬质合金刀具的22倍。
实施例2：金刚石薄膜铣刀的制做。
刃具基质：YG6硬质合金圆片，￠60×5毫米。
前处理：酸除钴，20微米金刚石粉研磨超声波清洗。
涂覆工艺：直流等离子喷射法，甲烷/氢气＝1.2％，涂覆温度750℃，压力2KP，膜厚18微米。
用激光束把贺片切成长24毫米宽6毫米的矩形片，焊接在刀体上，金刚石薄膜在前刀面，用磨刀机修整，即做成金刚石薄膜铣刀，如图2。
用这种铣刀在生产线上切割加工工件，同样的加工参数，加工数量是YG6硬质合金铣刀的18倍。
实施例3：金刚石薄膜铣刀的制做。
刃具基质：YG6硬质合金，形状见图3-301。
前处理：酸除钴，10微米金刚石粉研磨，超声波清洗。涂覆工艺：热丝CVD法，甲烷/氢气＝1.5％，压力5KP，涂覆温度800℃，偏流0.2A/cm2，膜厚8微米。
用电火花把涂覆金刚石薄膜的刃具基质切割，如图3-302，把切割片焊接到刀体上，前刀面无金刚石薄膜，后刀面有金刚石薄膜，即做成金刚石薄膜铣刀，如图3-303。

Claims (5)

1.一种带金刚石膜刀具的制备方法，其特征在于在刃具基质上进行CVD金刚石膜涂覆，然后切割成刃具；或者将切割好的刃具基质基本拼接成一体进行CVD金刚石膜涂覆。
2.根据权利要求1的方法，其中所述CVD金刚石膜的厚度为1-100微米，所述刃具厚度为1-100毫米。
3.根据权利要求2的方法，其中所述金刚石膜厚度为5-50微米。
4.根据权利要求1的方法，其中所述刃具基质表面形状或拼接后表面形状选自平面、球面或柱面。
5.根据权利要求1-4的任一方法。其中烃气/氢气比例为1％-3％(流量比)，沉积温度700℃-950℃，沉积压力1KP-10KP。
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