CVD金剛石厚膜刀具的耐磨性試驗
時間:2011-02-28 10:31:53 來源:
1 引言
隨著汽車、航空、航天等工業的高速發展，對用于加工各種高性能材料的切削刀具的要求日益提高，PCD刀具、金剛石刀具等新型刀具先后應運而生。PCD刀具的使用性能雖然較傳統的硬質合金刀具有了顯著提高，并已在機械加工中得到廣泛應用，但在許多加工場合仍不能完全滿足對加工效率及工件表面完整性的要求。此外，由于PCD材料是由金剛石顆粒與結合相組成，其刃口特性不甚理想，也限制了PCD刀具的進一步發展。CVD金剛石自八十年代研制成功以來，其在機械加工方面的應用研究已取得明顯進展，并逐漸進入商品化應用階段。但目前有關CVD金剛石刀具耐磨性的研究仍不夠充分。本文對CVD金剛石厚膜刀具與PCD刀具切削Al2O3微粉增強樹脂材料時的耐磨性進行了對比試驗與分析。
2 CVD金剛石的特點
CVD 金剛石是采用化學氣相沉積工藝生成的一種純金剛石多晶材料，通常可分為厚度50µm以下的金剛石薄膜涂層和厚度100µm以上甚至達數毫米的金剛石厚膜兩大類。CVD金剛石具有優異的光學、熱學、聲學、電子學及力學特性。CVD金剛石薄膜涂層可用于鉆頭、鉸刀、帶斷屑槽的機夾刀片等的表面鍍膜處理。CVD 金剛石厚膜的耐磨層較厚，目前常用的制膜工藝是先將金剛石沉積在Si、Si3N4、WC等過渡材料上，然后通過磨削和酸蝕去除過渡材料獲得金剛石厚膜，最后將金剛石厚膜焊接在基體材料上，制成車刀、鏜刀等簡單刀具，其制造工藝與PCD刀具基本相同。
與PCD材料相比，CVD金剛石具有以下特點：
- 純度高
- PCD 材料中所含的Co使其具有較強的抗碎裂和抗斷裂性能，但Co的存在降低了PCD的硬度，且在高溫條件下將加快金剛石向石墨轉化和氧化。CVD金剛石為純金剛石，不含任何添加復合材料，因此具有比PCD更高的硬度、熱導率、致密性、刃口鋒利性、耐磨性、耐高溫性、化學穩定性、非導電性以及更低的摩擦系數。
- 金剛石顆粒的大小是決定PCD材料性能的重要因素，粗粒PCD刀具耐磨性較好，但切削刃較粗糙；細粒PCD刀具刃口鋒利，易加工出良好的零件表面紋理，但耐磨性稍差。CVD金剛石因不含結合相，屬連續性材料，其性能幾乎不受內部金剛石晶粒大小的影響。
- 各向同性
- CVD金剛石與PCD材料一樣為多晶材料，其內部晶粒不具有方向性，因此在制作切削刀具時可任意取向，不受晶體特性影響，這是與天然單晶金剛石的不同之處。
- 可制作較大面積的膜層材料
- CVD金剛石通常沉積在硬質合金或陶瓷基片上，由于采用低壓沉積工藝，因而容易生成較大面積(f100mm以上)的金剛石膜，使CVD金剛石在尺寸及形狀方面具有更大的應用靈活性。
3 切削試驗條件
- 設備
- 試驗用機床為J1-MA2AK460×860型車床。采用J19型萬能工具顯微鏡測量刀具后刀面磨損帶寬度。
- 試件
- 據國外資料介紹，目前50%以上的PCD刀具用于切削硅鋁合金。硅鋁合金(特別是Si含量>12%的高硅鋁合金)組織中含有大量顆粒粗大、硬度高的初晶Si，切削加工時，它們像砂輪磨粒一樣高速作用于刀具上，可使刀具迅速磨損，用普通材料刀具很難加工。因此，PCD刀具、CVD金剛石刀具目前主要用于該類材料及硬質點強化軟基非金屬材料(如碳纖維增強塑料、各種耐磨纖維板等)的切削加工。由于PCD刀具、CVD金剛石刀具工作壽命較長，采用硅鋁合金或增強塑料進行耐磨性試驗耗時過多，為此我們試制了Al2O3微粉填充聚乙烯醇縮醛樹脂材料作為專用試驗材料。切削加工中，該材料中Al2O3微粉的研磨、鑿削和摩擦作用類似硅鋁合金及增強塑料，且Al2O3含量較高，可縮短試驗周期，能較好地模擬硅鋁合金等材料的切削加工。
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圖1
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圖2
- 試件尺寸：外圓f255mm，內孔f155mm。
- 刀具
- 本試驗選用三種進口PCD刀具(編號為A、B、C)、二種國產PCD刀具(編號為D、E)和一種硬質合金刀具(編號為F)與CVD金剛石厚膜刀具進行切削對比試驗。試驗用刀具均由本中心超硬材料刀具室制作。刀具幾何角度均為：g＝0°，a=6°，Kr=75°，Kr'=15°，刀尖圓弧半徑r=0.3～0.35mm。
- 切削參數
- 工件轉速：n＝240r/min
- 橫向走刀速度：f=0.205mm/r
- 切削深度：t＝0.1mm
- 切削方式：干式端面切削
4.切削試驗結果及分析
- CVD金剛石刀具與進口PCD刀具的耐磨性對比
- 圖1 所示為CVD金剛石刀具與三種進口PCD刀具的磨損曲線對比。由圖可知，CVD金剛石刀具磨損最小，在切削過程的前5分鐘內幾乎測不到磨損現象。如以后刀面磨損帶寬度VB=0.15mm為磨鈍標準，則CVD金剛石刀具的工作壽命為某國外著名品牌PCD刀具的一倍多，是極理想的高耐磨性刀具。雖然CVD金剛石刀具耐磨性較高，但從圖中可看出其磨損曲線的波動性較進口PCD刀具大，表明其后刀面磨損不穩定。用顯微鏡觀察，可發現CVD金剛石刀具出現了較多崩刃現象，這是由CVD金剛石刀具的材料特性所決定的，由于CVD金剛石中不含金屬結合相，因而脆性較大，因此，CVD金剛石刀具更適合用于連續切削。為彌補 CVD金剛石刀具斷裂韌性的不足，采用的切削速度通常應高于PCD刀具。
- CVD金剛石刀具與國產PCD刀具的耐磨性對比
- 圖2 所示為CVD金剛石刀具與二種國產PCD刀具和硬質合金刀具的磨損曲線對比。由圖可見，CVD金剛石刀具的耐磨性顯著優于國產PCD刀具及硬質合金刀具。此外，PCD刀具的初期快速磨損較明顯，而CVD金剛石刀具則無此傾向，這是由于PCD材料由金剛石與結合相組成，結合相的存在使刀具難以刃磨出非常鋒利的刃口；而CVD金剛石屬連續性材料，易于刃磨出鋒利的刀具切削刃。
- 刀具材料的耐磨性對比
- 由試驗結果可知，CVD金剛石厚膜刀具較各種PCD刀具具有更高的耐磨性。為了定量分析各種刀具的相對耐磨性，以刀具后刀面磨損帶寬度VB=0.182mm 為磨鈍標準，對以上試驗結果進行適當數據處理，計算結果列于下表。從表中可看出，CVD金剛石在耐磨性上具有明顯優勢。
各種刀具的相對耐磨性表
| &bnsp; |
CVD |
PCD-A |
PCD-B |
PDC-C |
PCD-D |
PCD-E |
WC |
| 耐用度(min) |
55.89 |
47.18 |
26.34 |
19.33 |
14.0 |
3.70 |
0.237 |
| 相對耐磨性 |
236 |
199 |
111 |
82 |
59 |
16 |
1 |
5 結論
- CVD金剛石厚膜刀具的耐磨性明顯優于PCD刀具。在本試驗條件下，CVD金剛石厚膜刀具的耐磨性為某國外著名品牌PCD刀具的1.18倍，為國產PCD刀具的4倍，為WC刀具的236倍。
- CVD金剛石厚膜刀具切削刃口鋒利，幾乎不存在初期快速磨損，可用于超精密切削。但CVD金剛石厚膜刀具在切削過程中崩刃較多，磨損曲線波動較大，因此比較適合用于連續切削。
圖1
圖2