機(jī)械加工中金剛石研究現(xiàn)況

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本文作者：王文龍1鄭艷彬1李光1姜志剛2作者單位：1長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院2吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

砂輪修整工具

磨削是精密加工中不可缺少的工藝。砂輪在使用一段時間以后，其磨粒微刃變得不鋒利且磨粒與磨粒之間的氣孔被工件的磨屑填充，導(dǎo)致磨削效果變差，必須對砂輪表面進(jìn)行修整。常用的砂輪有剛玉砂輪和碳化硅砂輪，它們的硬度都較高，剛玉的維氏硬度大約為18～24kgf/mm2，碳化硅的維氏硬度大約為28～36kgf/mm2，必須用硬度更高的金剛石工具對其進(jìn)行修整。砂輪修整工具主要包括圖1所示的金剛石修整筆和砂輪刀，以及圖2所示的修整器。

1修整筆和砂輪刀

金剛石修整筆如圖1a所示。傳統(tǒng)的修整筆采用天然金剛石，利用鑲嵌工藝制作。金剛石顆粒大小的選擇十分重要，主要依據(jù)被修整砂輪的粒度、尺寸和材質(zhì)而定。砂輪的粒度越小，需要的修整筆筆尖越尖，對于80#以上細(xì)粒度砂輪所使用的金剛石修整筆筆尖需要特殊的研磨才能保證砂輪的修整要求。CVD金剛石修整筆可滿足400mm以下的粗磨或半精磨砂輪的修整，工藝穩(wěn)定。砂輪刀如圖1b所示，砂輪刀(成型刀)主要用于成型砂輪和需要修整成型面夾角的砂輪的精密修整。對于800mm以上的大尺寸砂輪的修整，應(yīng)采用修整器修整。

2修整器

砂輪修整器是采用多個金剛石顆粒或金剛石條，經(jīng)粉末冶金工藝制作而成，主要用于大型砂輪的常規(guī)修整和砂輪的成型面夾角修整。金剛石的選料一般為:天然金剛石小顆粒、天然金剛石條以及CVD金剛石條。使用過程中，多個金剛石粒(條)同時參與砂輪的修整，所以效率高，性能穩(wěn)定。影響修整器使用性能的主要因素有:各金剛石粒(條)耐磨性和幾何形狀的一致性、排列的直線度。CVD金剛石容易滿足要求，長春八方金剛石科技有限公司采用CVD金剛石設(shè)計制造的45°直線排列的砂輪修整器，如圖2所示，具有性能穩(wěn)定的高效修整功能，已得到廣泛應(yīng)用。CVD金剛石修整工具的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

氣動打標(biāo)機(jī)的CVD金剛石針頭

傳統(tǒng)的打標(biāo)機(jī)針頭一般是由硬質(zhì)合金材料制作，可以用于硬度低于50HRC的工件打標(biāo);對于大于50HRC的硬質(zhì)材料工件，該針頭壽命極短，嚴(yán)重影響效率和打標(biāo)效果;而對于硬質(zhì)合金工件則更是無能為力。圖3所示為氣動打標(biāo)機(jī)的金剛石針頭外觀圖和視圖。鑲嵌CVD金剛石的針尖，經(jīng)刃磨、倒鈍而成。金剛石針頭對有色金屬及合金、淬硬鋼和鑄鐵等工件進(jìn)行打標(biāo)時具有明顯優(yōu)勢，打標(biāo)效果和使用壽命都明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金針頭。如用硬質(zhì)合金打標(biāo)機(jī)針頭在高硅鋁合金上打標(biāo)時，針頭上由于鋁粘結(jié)容易出現(xiàn)積屑瘤，字形不清晰;而金剛石針頭不僅壽命長，且打標(biāo)流暢、字形美觀。試驗(yàn)表明，金剛石針頭在硬質(zhì)合金上打標(biāo)總路程大于200m，在40倍顯微鏡下觀察有輕微磨損，針頭修磨后可繼續(xù)使用。金剛石針頭對淬硬鋼打標(biāo)時的使用壽命為硬質(zhì)合金打標(biāo)機(jī)針頭的20倍以上。

CVD金剛石焊接刀具

CVD金剛石焊接刀具是采用0．5～1mm厚的CVD金剛石制成的刀具。在制作過程中，首先要保證CVD金剛石的質(zhì)量，一般要求磨耗比高，無裂紋，厚度均勻;然后依次經(jīng)過拋光、激光切割、真空焊接、高頻焊接和刃磨等工序制成，技術(shù)的關(guān)鍵是焊接和刃磨。1)金剛石與硬質(zhì)合金基底的焊接。一般采用YG8硬質(zhì)合金作為基底材料，以銀、銅、鈦合金等作為焊料，高真空條件下采用熱擴(kuò)散和熱化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了金剛石焊接，在金剛石表面形成幾個納米厚度的碳化鈦薄層，實(shí)現(xiàn)了CVD金剛石的牢固焊接［5］，焊接剪切強(qiáng)度達(dá)到200MPa以上，可滿足CVD金剛石機(jī)械領(lǐng)域精加工刀具的使用要求。2)刀具刃磨。目前，投入應(yīng)用的CVD金剛石是多晶材料，沒有明顯的解理面，與單晶金剛石沿著解理面刃磨相比，刃磨難度和修磨難度都相當(dāng)大。例如，采用CVD金剛石制作首飾刻花刀，其性能完全能夠滿足加工要求，但刃磨和修磨的難度是天然金剛石的3倍以上，并且由于受到晶界的影響，刃口的質(zhì)量受到限制。例如，用CVD金剛石制作光柵刻刀很難達(dá)到所需要的刃口。CVD金剛石焊接刀具在切削硬質(zhì)合金［6-8］、高硅鋁合金［9］、金屬基復(fù)合材料［10］、碳纖維復(fù)合材料、工程陶瓷和特殊石墨等高硬度及耐磨材料時的優(yōu)勢十分明顯。CVD金剛石刀具抗沖擊性能較差，加工硬質(zhì)材料時金剛石刀具的前角不宜太大，以防止崩刃。在切削過程中不需要冷卻液，實(shí)現(xiàn)了綠色切削，減少了對環(huán)境的污染。CVD金剛石刀具的使用壽命至少為聚晶金剛石(PCD)刀具的3～5倍。Almeida等人［7］的研究表明，在切削硬質(zhì)合金棒(WC-18wt%Co)時，CVD厚膜焊接刀具與PCD刀具相比存在明顯優(yōu)勢，一方面是因?yàn)镃VD金剛石比PCD金剛石有更高的硬度;另一方面是因?yàn)镻CD刀具和硬質(zhì)合金棒中都含有粘結(jié)相Co成分，導(dǎo)致PCD刀具的粘結(jié)磨損比較嚴(yán)重。此外，CVD刀具的切削性能還與刀具的幾何形狀有關(guān)。Almeida等人還比較了兩種不同幾何形狀的CVD刀具在精加工和粗加工硬質(zhì)合金棒時的性能。CVD厚膜刀具的幾何形狀和切削參數(shù)如表2和表3所示。研究表明:在精加工硬質(zhì)合金時，0°前角和負(fù)前角刀具使用效果沒有明顯的區(qū)別。但是在粗加工時，0°前角金剛石刀具在切削力、刀具磨損和被加工工件表面粗糙度等方面都明顯優(yōu)于負(fù)前角金剛石刀具。

納米金剛石涂層刀具

納米金剛石涂層刀具是指在硬質(zhì)合金刀具基底上用CVD的方法沉積一層5～20μm厚的納米金剛石膜。納米金剛石涂層刀具既具有硬質(zhì)合金刀具的韌性，又具有較高的硬度，其切削性能和使用壽命都比硬質(zhì)合金刀具大大提高。涂層的難點(diǎn)是如何消除應(yīng)力、提高結(jié)合強(qiáng)度和成核密度。硬質(zhì)合金中含有金屬粘結(jié)相Co，如果Co含量太低，則韌性不足;如果Co含量太高，金剛石形核率低。目前，大多數(shù)研究者采用Co含量為6%的硬質(zhì)合金作為基底材料［11-12］。在CVD金剛石膜沉積過程中，硬質(zhì)合金里面的Co會使金剛石石墨化，導(dǎo)致金剛石膜的粘附性較差。為了提高金剛石膜的粘附性，一般采用酸對硬質(zhì)合金表面進(jìn)行除Co或者在硬質(zhì)合金表面濺射一層金屬Ti(Ta、Mo、Nb、W、Ag或者陶瓷材料TiC、TiN、TiCN［13］、SiC、CrN)作為過渡層，防止在沉積金剛石膜時Co的擴(kuò)散。研究表明，用酸處理硬質(zhì)合金基底表面雖然可以除Co，并且可以在基底表面形成許多孔隙，但降低了金剛石膜的粘附性能。解決方法是采用兩步法，先用Murakami溶液浸蝕WC相，后用Caro’sacid(H2SO4+H2O2)除Co，這樣增加了基底的表面粗糙度，有利于金剛石的成核，金剛石膜的粘附性能大大提高。圖4所示為用Murakami/Caro’sacid兩步法預(yù)處理硬質(zhì)合金基底示意圖。姚成志等人［15］的研究表明摻雜B能與硬質(zhì)合金表面的Co形成穩(wěn)定的化合物，有效地抑制Co的擴(kuò)散。涂層的膜-基附著力在硼碳摩爾比B/C=3×10－3時最佳。納米金剛石膜一般用Ar和甲烷等含碳?xì)怏w制備，其中Ar的體積分?jǐn)?shù)要大于90%［17］，且沉積納米金剛石的溫度不宜太高(約800℃)［18］，溫度過高，Co的擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致金剛石膜的粘附性能下降。

CVD金剛石的制備技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，且在部分機(jī)械加工領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中CVD金剛石在修整器和氣動打標(biāo)機(jī)針頭市場具有明顯的優(yōu)勢。在切削硬質(zhì)材料、難加工材料和精密加工領(lǐng)域，CVD金剛石焊接刀具也是最佳選擇。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高用戶對金剛石制品優(yōu)越性能的認(rèn)識;進(jìn)一步優(yōu)化金剛石制品的制作工藝，提高性價比;以市場為導(dǎo)向，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化;重視科研隊伍的培養(yǎng)，提高技術(shù)攻關(guān)能力，必將進(jìn)一步提高CVD金剛石膜的產(chǎn)業(yè)化水平。