鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

1 引言

       早在20世紀50年代初就開始了化學氣相沉積（CVD）金剛石膜的研究，1970年蘇聯(lián)的科學家們，率先打破了只有在高溫高壓條件下，才能合成出金剛石的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)了化學氣相沉積金剛石的嶄新技術方法，是對金剛石合成技術的進步的重大貢獻。并為其應用范圍的不擴大注入了新的活力。CVD合成金剛石技術的出現(xiàn)與發(fā)展，是對高壓高溫合成金剛石是一種補充而不是替代。因為這兩種方法合或成出來的金剛石除了其共性外，還有其個性，正是由它們個性上的差異，所以有各自的特殊應用領域。

       CVD金剛石投入工業(yè)化生產的十多年來，無論是單晶體的質量，還是生長技術都取得了長足的進展。CVD金剛石的應用正在逐步擴大，元素六公司在應用開發(fā)方面引領著世界向更新、更高的目標邁進！

       由于CVD金剛石技術的日益改進與完善，CVD金剛石除應用作熱沉材料、刀具材料等外，正在研發(fā)CVD金剛石在軍事工程、空間技術、諜報器材等全新領域中的應用，本.文僅就其作為刀具材料的制備、性質與應用有關的技術問題做一簡要的閘述。

2  CVD金剛石的制備技術

2.1 CVD膜生長的基條件

2.1.1  氣體中必須含有碳源，如甲烷、乙醇、乙炔等。

2.1.2  氣體必須被激化，要么被高溫激化，要么被等離子激化。

2.1.3  氣體中必須有刻蝕石墨或抑制石墨生長的元素。目前公認的有L司氫原子、氟原子、氧原子等。

2.1.4  基體上金剛石可以成核和長大。

2.1.5  必須有驅動力使氣體到達基體表面。

2.2  納米金剛石膜制備的常用裝置

       制備納米金剛石膜所用的制備裝置與常規(guī)金剛石膜所用的設備差不多，但使用最多的是熱絲化學氣相沉積法(HFCVD)和微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)，其結構示意圖分別見圖1（下圖左）和圖2（下圖右）[1]。

     圖1 熱絲化學氣相沉積法(HFCVD)                                     圖2 微波等離子體化學氣相沉積法(MPCVD)

       在上述兩種制造方法中，微波等離子體法由于能形成均勻的等離子體狀態(tài)，在制備高質量、大面積金剛石厚膜方面顯示極大的優(yōu)勢，國外最大沉積面積已達ф300mm，生長速度為10μm/h，且有連續(xù)穩(wěn)定的工作特點，但制造設備昂貴(約19萬美元/臺)。因此，目前囯內外CVD金剛石厚膜刀具原材料大多采用熱絲等離子CVD設備生產。熱絲等離子CVD法可合成大面積高質量的CVD金剛石厚膜，目前，國外最大直徑可達180mm，國內可達120mm。據(jù)北京中國礦業(yè)大學稱，他們解決了大面積沉積過程中厚膜內應力大、圓片易開裂、熱絲易斷裂、生長不均勻、生長速率低等技術難題，已能生長出厚度均勻、面積大的無支撐全舊明晶質CVD金剛石厚膜，直徑110mm，厚度可在0.6~1mm范圍內均勻一致，生長速度10~15μm/h，符合切削刀具用CVD金剛石厚膜的質量要求[2]。
 
       傳統(tǒng)的CVD法是以大量氫氣為主要反應氣體，同時加入少量的碳源氣體(少于5%)，沉積出的金剛石是微米級的柱狀多晶。制備納米金剛石膜則要降低氫氣含量，甚至采用大量其他氣體如氬氣、氮氣為主要反應氣體，同時加入少量氫氣和碳源氣體，提高沉積過程中的二次成核率，減小晶粒尺寸。在納米金剛石生長中，C2是重要的參與者與決定性的成分[3]。

3 CVD金剛石及其刀具的特性

表1 室溫下純天然金剛石與CVD金剛石的主要性能比較[4]

       金剛石厚膜焊接刀具兼具單晶金剛石和金剛石薄膜涂層刀具的優(yōu)點，通過十幾年應用開發(fā)研究，已進入實用階段。美國Kennametal公司、通用電氣公司和Norton公司等，日本三菱金屬、住友電工和東芝鎢金屬等和歐洲的一些囯家如瑞典Sandvik公司、德國Guhring公司已有產品在市場上出售。
       元素六公司推出的牌號為CVDITE CDM的CVD金剛石-硬質合金焊接刀片有0.3mm和0.5mm兩種厚度，按三角形和矩形不同幾何形狀供應客戶。
       美國Norton Film公司推出的牌號為DiamaPak的CVD金剛石復合片，也是0.3mm或0.5mm厚度的CVD金剛石層焊接到硬質合金基底上，刀片總厚度為1.6mm，可根據(jù)用戶需要提供各種形狀。
       Norton公司宣稱，其牌號為DiamaPak的CVD金剛石復合刀片在許多非鐵材料加工中遠遠超過PCD，刀具壽命長10倍，而且有更好的加工表面光潔度。北京天地東方金剛石技術有限公司稱，該公司的高精密CVD金剛石厚膜刀具切削試驗表明，加工光潔度達到Ra0.02~0.04μm[5]。

4 應用
CVD金剛石厚膜刀具應用的若干關鍵性技術
       4.1 由于氣相沉積的金剛石膜多為多晶膜，晶粒較粗，表面凸凹不平，在許多情況下不能直接使用，因而拋光處理是必不可少的重要工藝步驟。由于金剛石厚膜硬度高、韌性差，研磨拋光效率低，極易破裂及損傷，因此拋光技術已成為CVD金剛石厚膜刀具應用中的關鍵性技術。
       4.2 由于CVD厚膜為純金剛石，不導電，阻礙較成熟的電火花（EDM）切割和加工技術的應用。
       4.3 要解決大面積沉積過程中厚膜內應力大、圓片易開裂、熱絲易斷裂、生長不均勻、生長速率低等技術難題，長期以來一直困擾著制造商
       4.4 CVD金剛石厚膜與硬質合金基體之間的焊接強度的強弱，是決定CVD刀具用于斷續(xù)切削這種高要求機械加工的關鍵。
       CVD金剛石用于切削有兩種形式：聚晶質CVD金剛石薄膜和單晶質C VD金剛石厚膜或片，可切割或成不同形狀。單晶質CVD金剛石切割工具.主要用于加工強度高而質量輕的結構材料如金屬基體復合材料(MMCS)等，存在的問題是不能制成形狀復雜的切削工具。聚晶質CVD金剛石薄膜常用超硬覆層材料附著于切削工具刀頭或刃部，如鉆頭、鉸刀、擴孔器、尖底锪等來加工有色金屬、塑料、復合材料(碳素纖維或纖維玻璃增強)等，與碳化鎢合金刀具相比，切削速度更快、使用壽命更長、加工的光潔度更高[6]。
       4.5 美國Kennametal公司于2003年推出的新型數(shù)控機床刀具KD1405，是一種“純金剛石”刀具材料，它具有良好的韌性，可改善刀具的耐磨性，在用于連續(xù)車削及輕負荷斷續(xù)車削、精銑和半精銑刀加工時，刀具壽命與PDC刀具相比，可提高100%~200%[7]。
       4.6 干切削是未來切削的主要方向。隨著切削速度的提高92000m/min），CVD厚膜切削刀具會成為干式高速切削某些新材料的首選工具[5]。
       4.7 干切削是未來切削的主要方向。隨著切削速度的提高92000m/min），CVD厚膜切削刀具會成為干式高速切削某些新材料的首選工具[8]。

表2   高速干切削常用刀具材料

       利用CVD金剛石門英膜替代天然金剛石制作超精密刀具，無論從經濟方面還是從技術可行性方面均具有很大的優(yōu)勢。
       超精密加工領域是用高效率的切削加工替代磨削和其他研磨加工的一種高精加工技術，每年我國在航天航空和光學等精密加工領域所消耗的超精密刀具總值超過數(shù)百萬美元，而且隨著科學技術的發(fā)展遍布在國民經濟許多領域，多種產品的高光潔度裝飾加工要求與日俱增，這是一個巨大的具有活力的市場。
       從生產技術方面講，CVD金剛石膜完全可以作為超精密加工的刃口材料[3]，CVD金剛石膜超精密刀具的技術研究將有效地推動囯內超精密加工領域的技術進步，具有重大的社會、經濟效益。
       目前囯內超精密金剛石刀具大部分依賴進口，囯外刀具價格奇高，屬于技術壟斷的產品。隨著超精度CVD金剛石刀具的研制開發(fā)，可以大大改善和提高國內超精密加工刀具在囯際市場的地位，加強我國超精密刀具業(yè)的囯際影響力。
       CVD金剛石膜材料是21世紀最具發(fā)展前景的功能性材料，利用性能優(yōu)異的高質量CVD金剛石替代天然金剛石制作超精密刀具可以降低生產成本，打破國外技術壟斷，減少國內超精密加工領域對國外技術的依賴。
       超精密刀具用途廣泛，軍事領域可用于航空儀表軸承、雷達波導管、光學器件、高能加速器等精密儀器的加工。在民用領域，如隱形眼鏡加工、眼科手術、人體器官移植、多種新型產品裝飾加工等，是超精密制造中必不可少的工具。
5 結語
       5.1 目前有代表性的CVD金剛石生長技術是大面積的熱絲CVD技術和大功率(35kW或更高)微波技術。大面積的熱絲CVD技術是目前廣泛應用和比較成熟的產業(yè)化技術，它的生長面積已達到直徑300mm以上，該方法在涂層應用方面最為成功，代表性的企業(yè)有著名的美國SP3、Crystallame、CVD-diamond、Diamonex、DDK等公司。
       5.2 四種形態(tài)的CVD金剛石，它們是∶
       5.2.1 純多晶金剛石厚片；
       5.2.2 涂層金剛石；
       5.2.3 單晶金剛石，重達10克拉，代表著當今寶石級金剛石晶體培育技術的最高水平。
       5.2.4 納米金剛石膜。目前國內外納米金剛石膜的研究，還處于基礎研究階段。應用研究剛剛起步，尚未形成成熟產品，距產業(yè)化還有很大距離。
       納米金剛石復合膜的特點是在常規(guī)金剛石膜的基礎上，原位繼續(xù)生長一層納米金剛石膜以組成復合涂層，具有耐磨、附著力強、表面平整光滑、摩擦因數(shù)小、易于研磨拋光等特點，不僅解決了涂層附著力這一技術難題，而且突破了金剛石涂層表面不易拋光這一瓶頸，掃除了金剛石膜產業(yè)化的障礙。
       5.3 美國SP3公司從事研究降低CVD金剛石生產戰(zhàn)成本的問題至今已有十余年歷史，認為熱絲CVD技術合成金剛石有利于降低成本。而元素6公司則對微波等離子CVD法情有獨鐘，目前使用的是微波等離子增強型CVD技術。
       5.4  CVD金剛石工具正在逐步取代精密和超精密加工的PDC、單晶及天然金剛石工具市場，其中金剛石涂附工具顯現(xiàn)出很強的生命力。
       5.5 干切削是未來切削的主要方向。隨著切削速度的提高92000m/min），CVD厚膜切削刀具會成為干式高速切削某些新材料的首選工具[9]。
參考文獻
       [1] 王光祖主編，納米金剛石[M]鄭州：鄭州大學出版社，2009
       [2] 鄧福銘，盧學軍等，CVD金剛石厚膜刀具及應用研究[C].中囯超硬材料技術發(fā)展研討會論文集，2009，10：20~25
       [3] 何敬輝，秦松巖等，CVD法制備納米金剛石膜的研究進展[C] 第五屆鄭州國際超硬材料及制品研討會論文集，2008,9：123~127
       [4] 侯立，CVD金剛石-----一種新型的工具材料[M].超硬材料發(fā)展35周年研討會倫論文集，1998，197~203
       [5] 劉邁，張兵等，CVD金剛石膜超精密刀具技術研究[J]超硬材料工程，2008,2：17~19
       [6] 談耀麟，CVD金剛石應用前景探討[J]超硬材料工程，2009，4：49~53
       [7] 董長順，.玄真武等，CVD金剛石制備方法及其工業(yè)化前景分析[C] 中國超硬材料發(fā)展論壇論文集，2008,6：50~57
       [8] 蔣林森，超硬刀具在現(xiàn)代加工技術中的地位和作用[J] 超硬材料工程，2005，2：40~43
       [9] 蔣林森，超硬刀具在現(xiàn)代加工技術中的地位和作用[J] 超硬材料工程，2005，2：40~43