金剛石材料在高性能刀具上的應用

2016-01-27 640

金剛石性能的奇特組合使金剛石成為一種精密和高生產率工業應用的良好材料。自從20世紀50年代引入的高溫高壓

(HTHP)生產單晶合成金剛石,到20世紀70年代開發的金屬燒結聚晶金剛石(PCD),人工合成金剛石材料已經成為自然

單晶金剛石的唯一替代物。近來,隨著化學氣相沉積(CVD)工藝開發的純聚晶金剛石材料的出現,它在曾經認為是不

可能達到的水準上提高了刀具性能,具有廣闊的前景。

從耐磨鍍層到用于高科技鏡片和電子元件的純凈、獨立的材料,CVD金剛石的工業應用給人留下了深刻印象。機械制

造業對CVD金剛石的主要興趣是CVD金剛石材料在高性能切削刀具和修整刀具的實際應用。

與HTHP金剛石和金屬燒結PCD不同,CVD金剛石的制造不需要模擬地球深處自然的高壓。相反,CVD金剛石是用氫氣和

碳氫混合氣體被激發到一個“活化的”通常自然界不存在的發光狀態。正是這個活化的化學原理,使純的CVD聚晶金

剛石在800~1000℃的范圍內沉積。

2 CVD金剛石

CVD技術在市場上被公認的應用是鎢硬質合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層。無論是切屑的斷屑槽刀片還是完全

鍍層的螺旋端銑,金剛石鍍層刀具已經商業化了。

然而,現在又有一種“厚膜”CVD金剛石工藝,可用于制成純的、非粘結劑的金剛石整體形式。這種形式的典型厚度

范圍為150~1000µm。這種材料先被氣相沉積為一種獨立的薄片,然后將這種薄片用激光切削成適合切削刀具的各種

形狀。
 

CVD金剛石作為切削刀具材料的有利條件是其無與倫比的硬度所導致的優良組合性質。與金屬燒結PCD不同的是 金

剛石的獨特性質在CVD金剛石中都得到了保留,甚至在高切削溫度下也如此。單晶金剛石的硬度和彈性模量導致了CVD

金剛石的良好耐磨性和其尺寸穩定性。

在硅硬質合金“砂磨”試驗中,獨立CVD金剛石的相對體積損失比PCD要低4倍,而比鎢硬質合金低120倍。與金屬粘結

PCD坯塊不一樣,厚膜CVD金剛石材料能與單晶金剛石在高切削溫度下的硬度和耐磨性相媲美,甚至超過單晶金剛石在

高切削溫度下的硬度和耐磨性。

CVD金剛石與 金剛石一樣,具有較小的摩擦系數,在切削時產生較小的切削力和功能消耗以及較少的磨擦熱和優

良的抗切屑瘤性。

在干切削或高速機械加工中,由CVD金剛石的高潤滑性導致切削溫度的降低是其優于PCD和其它材料的主要有利條件。

CVD金剛石應用于機械方面的厚膜CVD金剛石材料的熱傳導效率是鎢硬質合金的5倍,比PCD的熱傳導率高50%。CVD金剛

石優良的熱導率可用作切削區散熱的安全途徑。非粘結劑結構的CVD金剛石允許刀具承受的進攻性機械加工溫度可達

800℃,而鈷燒結PCD當機械加工溫度接近700℃時,就會受到熱損壞了。雖然PCD可采用濾去鈷的方式來避免鈷致使

PCD質量的下降,然而CVD金剛石還具有優良的耐磨性。與金屬燒結PCD和鎢硬質合金材料相比,非粘結劑結構的CVD金

剛石的化學性能更穩定。用CVD金剛石鍍層刀具加工合成材料的酚醛樹脂等腐蝕性聚合物時,明顯地具有較長的壽命

,CVD金剛石還能抵御刀具切削液的腐蝕。

純金剛石和含有鐵、鎳或鈷等成分的金屬合金引起的化學不穩定性,在歷史上一直限制著金剛石在切削黑色金屬材料

和超耐熱合金中的應用。但盡管如此,諸如PCD、單晶金剛石和CVD金剛石等含有金剛石的材料仍然優先應用于高生產

率的黑色金屬材料的機械加工中。
 


CVD金剛石由于其聚晶結構,可制造出超過實際 金剛石的斷裂韌性(抗斷裂性)。這個特點在斷續切削和砂輪修整

等進攻性機械加工中證明是很有益的。一般情況下,CVD金剛石的機械牢固性類似于先進陶瓷的牢固性。

精心設計制造CVD金剛石獨立薄片的斷裂韌性、強度和其它關鍵性質,能改善用于CNC旋轉砂輪修整、高速或近似干加

工鋁和金屬基合成材料的高性能刀具。

CVD金剛石刀具與PCD刀具的制造方式類似,金剛石刀片被釬焊在鎢硬質合金或高速鋼刀體的帶有切口的角上,再用金

剛石砂輪精磨刀具。厚膜金剛石刀片堅固的釬焊技術是20世紀90年代開發的,這個技術解決了對金屬切削加工薄膜、

金剛石鍍層硬質合金刀片的粘結和刀體選擇的難題。而用于切削加工的金剛石鍍層硬質合金刀片的粘結與刀體選擇一

直被廣泛認為是對切削加工有負面的影響。大多數獨立的用于切削刀具的厚膜CVD金剛石材料大約厚0.5mm。相對光滑

、細顆粒(約1µm)晶核表面一般被拋光,用作切削刀具的前傾面;側面的粗顆粒表面(>50µm)被真空釬焊在鎢硬質合金

刀體或高速鋼刀體上。

雖然CVD工藝的嚴格控制是關鍵,但是最終決定刀刃質量和刀具牢固性的還是刀具制造。大多數有經驗的制造商對于

PCD工業常常使用磨削砂輪,而為了適應CVD金剛石材料提高的硬度,他們又延長了磨削時間。

J&M金剛石刀具公司用PCD配方的砂輪磨削CVD金剛石,對比于PCD刀具,磨削一把CVD金剛石刀具刀刃要多用10%~20%

的時間。然而延長刀刃磨削時間,可使得刀具制造商獲得優于PCD刀具刀刃的表面粗糙度。由于CVD金剛石比PCD更耐

磨,所以簡單地加大磨削砂輪的進給量會產生一個過度的磨削力而損壞CVD金剛石刀具切削刃。

厚膜CVD金剛石可用精磨側面生產一個釬焊、鏡面表面粗糙度(Ra<0.05µm)的切削刀片。對比于薄膜CVD金剛石鍍層,

厚膜刀片的這個獨特的性能使工件也能產生一個優良的表面粗糙度。厚膜CVD金剛石在刀具選擇中還提供了替換單晶

金剛石刀具的機會。

獨立的CVD金剛石材料的牢固性和耐磨性使其成為高硅鋁銑削等廣泛的機械加工應用的優良選擇。CVD金剛石加工鋁合

金時的刀具壽命常常是商用PCD刀具壽命的1.55倍。具體實際的改進決定于鋁合金、切削刀具的設計和制造技術。CVD

金剛石刀具常常用于車削活塞,進行鋁輪精車和其它高硅鋁材料和金屬基合成材料的一般機械加工所需要的斷續切削

。雖然高硅鋁總是CVD金剛石集中研究的對象,然而金剛石刀片刀具在低硅鋁材料機械加工中也越來越普遍。高生產

率加工或精確的精加工等都要求使用金剛石刀具。一個汽車制造公司對一個鋁制零件進行了精加工操作,CVD金剛石

刀片刀具不僅比PCD耐用30%,而且在刀具的整個壽命中,能連續加工出所要求的表面粗糙度。

鎢硬質合金是單晶金剛石、PCD和PCBN及近來的CVD金剛石的各種精密機械加工材料之一。在一項試驗中,CVD金剛石

用于鏜削鎢硬質合金(含25%Co)的汽缸,汽缸內徑20mm、長40mm。汽缸鏜削時噴冷卻液,切削速度為0.5m/s、進給量

每轉0105mm、切削深度為0.12mm。結果,厚膜CVD金剛石刀具失效前能加工8個零件,PCD刀具能加工5個零件,而PCBN

只能加工出一個零件。

5 CVD金剛石修整刀具

修整刀具一般能從磨削砂輪表面去除磨鈍的陶瓷或研磨的顆粒,從而努力降低磨削溫度和改善工件表面粗糙度,提高

磨削砂輪加工出小公差工件的能力。修整刀具還用于精修磨削砂輪。以往,大多數修整和精修操作都是采用固定修整

刀具送入旋轉砂輪中的,這種修整刀具常常是用單晶金剛石或PCD制成的。

當今,許多高生產率磨削操作使用旋轉的CNC修整器或鋒利的修整滾子。當砂輪的一邊在加工工件時,其另一邊就同

時被連續的修整了。CNC旋轉修整器可容納超過100片相同的金剛石,這些小金剛石片安裝在修整器的外直徑上,能在

磨削砂輪上產生獨特的形狀。

用激光切削時,獨立的CVD金剛石能給修整刀具的用戶和生產者提供許多獨特的有利條件。CVD金剛石的結構可設計制

造成具有較高的斷裂韌性和強度,從而達到優化修整刀具壽命和尺寸穩定性的目的。

由于CVD金剛石被切成均勻的小片,它可最大限度地減少或消除與單晶金剛石有關的難題,如 金剛石固有的形狀

約束和變異性等。最后,CVD金剛石材料可制造成高的縱橫比(例如:8mm×1mm×1mm),CVD金剛石安裝在修整刀具上具

有成本效益,可延長壽命,提高修整效率。

6 結論

氣相沉積金剛石的自然品質和獨立CVD金剛石刀具的制造先進技術,為許多難加工材料提供了一個優良的解決辦法。

隨著CVD金剛石在精修刀具上的成功,CVD金剛石在工業材料加工領域被迅速地推廣和應用。

文章整理:金剛石彈性磨塊 http://www.ashirvadmarketing.com/news/

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