摘要:介绍了CVD金刚石膜的主要性能指标,论述了它在机械加工方面的应用情况,并与PCD、单晶金刚石的应用相比较,对其应用前景进行分析与展望。 |
一、主要性能指标
1. 机械性能
CVD金刚石刀具机械性能见表1。 由于CVD 金刚石(CVDD)为100%纯金刚石,其晶粒之间的间隙为基团间隙,而PCD是通过添加Co、Ni、Cu等金属结合剂高温高压而成,故二者是有区别的。单晶金刚石其价格昂贵,且受其几何尺寸大小和性能(解理—方向性)的限制,无法大量应用于品种多样的工具。 表1 机械性能 |
性能 | 纯金刚石 | CVD金刚石 |
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硬度(kgf/mm2) | >8000 | >8000 |
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密度(g/cm3) | 3.52 | 3.52 |
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杨氏模量(GPa) | >1200 | >1000 |
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断裂性(J/M) | 10 | 25 |
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摩擦系数 | 0.1(相对于钢) | 0.1 |
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热导率(W/cm·K) | 25 | >20 |
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磨耗比 | (111方向)>40×104 | >30×104 |
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电阻率(Ω·cm) | 不导电 | 1014~1016 |
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化学惰性 | 常温下不溶于所有酸和碱 |
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表2 CVDD与PCD刀具比较 | 特性 | PCD | CVDD |
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材质结构 | 含Co粘结剂 | 纯金刚石 |
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耐磨性 | 随金刚石颗粒大小而变 | 高于PCD2~10倍 |
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韧性(抗 冲击性) | 较好 | 略差 |
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耐温性 | 低于500℃,热导率低 | 高于700℃,热导率高 |
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化学稳定性 | 低 | 高 |
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适用性 | 粗加工、精加工 湿切 不适于加工有机复合材料 | 精加、半精加、连续切削 湿切、干切 适于加工有机复合材料 |
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2. CVDD、PCD刀具的性能比较
CVDD、PCD刀具的性能比较见表2。 - CVDD刀具刀刃强度高,具有接近于单晶金刚石刀具的抗冲击性能,能制作具有各种尺寸的刀具;
- CVDD刀具耐磨性好,耐用度比硬质合金高100 倍以上;
- 用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至Ra0.05 µm以下,工件表面可达到镜面;
- 热导率5~10W/cm·K在干切过程中,可将刀尖的热量及时扩散,减少对工件表面损伤,降低刀具使用温度以及提高刀具寿命。
二、CVDD刀具在机械加工中的应用
CVDD包括工具(主要是机械加工)、热学应用等方面。目前,CVDD的产品主要有如下几类: - CVDD普通刀具,高精度刀具;
- CVDD砂轮修整笔;
- CVDD拉丝模及成品模具;
- CVDD新型高压、水射流耐磨喷嘴;
- CVDD强化木地板加工工具;
- CVDD精密轴承支撑器及耐磨器件等。
CVDD不含任何金属或非金属添加剂,机械性能兼具单晶金刚石和PCD 的优点,又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明,焊接型CVDD工具的使用寿命超过PCD 工具,其抗冲击性优于单晶金刚石膜。因此,CVDD被认为是非铁类材料加工工业中理想的工具材料,如铝、硅铝合金、铜、铜合金、石墨以及各种增强玻璃纤维和碳纤维结构材料的加工等。 1. CVDD刀具用于金属切削加工
CVDD可用于制作车刀、铣刀、刨刀、趟刀等机械加工刀具。 近两年来,各种型号的金刚石膜车刀、键刀已在国内几十家企业使用,并正向国外推广,其应用情况如下: - 代替硬质合金刀具,工效提高十几倍到百倍,降低了劳动强度,工件加工精度明显提高,表面粗糙度显著降低。
- 超硬材料和有机复合材料的理想加工刀具;
- 和PCD 刀具相比,CVDD刀具表面粗造度低,刃口好;
- 在一些领域可代替天然金刚石刀具。
就国内汽车行业中使用的硅铝合金材料来看,含硅量在12%左右,一方面由于其材质不均匀,有硬点,目前PCD刀具占有绝大部分市场,CVDD的份额微乎其微,如轮毅刀具、槽加工刀具等。另一方面,由于现在的CVDD不导电,而PCD导电的性能,使二者在刀具的制作工艺上存在差别,PCD可用电加工方式加工,而CVDD却不行,若能很好地解决CVDD刀具制作工艺问题,则可与PCD刀具在汽车行业中一争高下。 实践表明,CVDD刀具采用正确的几何角度,经过精研完全能作为有色金属及超硬材料的精密切削刀具,如车削紫铜的电机刀(也称整流子刀)等。曾经做过试验,条件如下: - 刀具:CVDD车刀,刀尖修光刃L=1mm,前角8°,后角8°,主偏角60°,刃口粗糙度Ra0.1µm;
- 机床:CJ6125 ;
- 环境:精密加工实验室;
- 工件材料:含硅8%的硅铝合金,紫铜;
- 切削参数:n=1400r/min , f=4mm/min, ap=0.015mm/r
在上述试验条件下,车削加工后工件的粗糙度Ra0.012µm ,这是PCD产品所无法达到的。由此可见,CVDD刀具可以达到以车代磨的效果,加工到镜面粗糙度,而其成本远低于天然金刚石(单晶金刚石)刀具。 2. CVDD用于非金属加工
CVDD以其高耐磨性,在木工刀具方面也广受欢迎。如时下正热的木地板行业,由于Al2O3强化木地板的性能优于三聚氢胺木地板,其耐磨层更坚硬,硬质合金刀具加工Al2O3强化木地板已无能为力,必须使用金刚石刀具。两年来的市场调查结果显示,CVDD是优质的木工刀具材料。 对于石材等硬脆材料、玻璃纤维、碳复合材料及有机复合材料的加工,CVDD是理想的刀具材料。 3. 高精度刀具
普通刀具材料(如高速钢)和硬质合金材料因受其本身性能(如耐磨性、硬度等)影响,很难达到很高精度,如制版行业用的制版精修刀、首饰行业用的首饰刀(俗称劈花刀)等。这类刀具要求其本身的精度很高和表面粗糙度很低(粗糙度Ra0.05µm ) ,利用高精度研磨机(主轴跳动为0.1µm ) ,制成了表面粗糙度Ra0 .05µm 的CVDD精密刀具,其尺寸精度为5µm,现已用于制版加工和防伪商标加工,效果良好,工件表面粗糙度可达Ra0.012µm 。 目前,CVDD刀具已广泛应用于超精加工、精加工、半精加工和连续切削,耐磨性比PCD刀具高2~10倍,其性能价格比优于其它金刚石刀具。 据1998年外刊报导,切削用CVDD刀片的市场约为1.5亿美元。 三、CVDD刀具的应用前景
CVDD膜的制造成本图
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- 据2000年De-Beers公司资料显示,新型的导电型的CVDD即将出现,故CVDD的加工工艺也会发生变化,可能用电加工方式代替传统的激光加工和磨削加工的方式,使其在复杂形状刀具、成形刀具方面广泛应用。另外,涂层金刚石工具的出现及使用,也将推动CVDD在机械加工方面的应用。如国内有上海交通大学的涂层刀具,国外有美国的SP3公司的P1-diamoiid涂层刀具等。
- 随着CVDD制作成本进一步降低(见附图)在各方面的应用将会越来越广泛。
金刚石材料被誉为21 世纪的材料,在这个超精密加工的时代,应该用好金刚石材料,开发出更多更好的刀具。