1引言

       金剛石具有硬度高、耐磨性好、熱導(dǎo)率大、摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)惰性強(qiáng)等優(yōu)良特性，是制造切削刀具的理想材料。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已先后開(kāi)發(fā)出可用于有色金屬、電極石墨、陶瓷、復(fù)合材料等精密加工的CVD金剛石厚膜焊接刀具，基本完成了CVD金剛石刀具的商品化開(kāi)發(fā)工作。

1.燈絲電源2.直流電源3.熱燈絲4.基體5.樣品臺(tái)6.進(jìn)氣口7.排氣口8.反應(yīng)腔



       目前應(yīng)用較多的CVD金剛石厚膜焊接刀具制造工藝流程為：大尺寸金剛石厚膜制備→激光切割刀頭→在真空或保護(hù)性氣氛中釬焊刀頭與刀架→刀具刃磨。其中的關(guān)鍵工序?yàn)榈额^與刀架的焊接。由于金剛石與低熔點(diǎn)金屬及其合金之間具有很高的界面能，因此金剛石很難被一般的低熔點(diǎn)焊料合金所浸潤(rùn)，可焊性極差。由于CVD金剛石為純晶質(zhì)的多晶金剛石材料，因此同樣存在這一問(wèn)題。盡管通過(guò)采用含鈦的銀銅合金焊料在惰性保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行焊接可提高焊接強(qiáng)度，但該方法不僅成本較高，且焊接出的刀具在刃磨過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)刀頭脫落現(xiàn)象，影響成品率。因此有必要研究開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)便、更可靠、成本更低的金剛石焊接工藝方法。本文對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2試驗(yàn)方法

       本試驗(yàn)擬采用新的工藝方案來(lái)制造CVD金剛石厚膜焊接車刀，工藝流程為：大尺寸金剛石厚膜制備→激光切割刀頭→刀頭表面金屬化(化學(xué)氣相沉積W膜)→在大氣中釬焊金屬化刀頭與刀架→刀具刃磨。

制備CVD金剛石厚膜

       采用自行研制的電子輔助化學(xué)氣相沉積(EACVD)裝置(見(jiàn)圖1)在?100mm的Si基片上制備0.8～1.0mm厚的大尺寸金剛石厚膜，沉積工藝條件見(jiàn)表1



表1 CVD金剛石沉積工藝條件

切割金剛石刀頭

       用激光精密加工機(jī)在制備的大尺寸金剛石厚膜上切割出邊長(zhǎng)為4.0mm的等邊三角形刀頭，并用H2SO4和HNO3混合液煮沸清洗，以去除切縫邊緣的殘留石墨，避免影響金屬化層與金剛石的結(jié)合。

金剛石表面金屬化處理

       采用鎢氯化蒸發(fā)、氫氣還原的化學(xué)氣相沉積法在金剛石刀頭表面(生長(zhǎng)面)制備W金屬層。試驗(yàn)中，沉積溫度分別選用800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，沉積壓力～80乇，沉積時(shí)間20～30min。

刀頭與刀架的焊接

       刀架材料為YG6硬質(zhì)合金，采用普通Ag-Cu合金焊料，在大氣中采用高頻感應(yīng)加熱焊接，焊接溫度850℃，焊后空冷。

刀具刃磨

       采用常規(guī)金剛石刀具刃磨工藝對(duì)焊接刀具進(jìn)行刃磨，刃磨出的刀具為主偏角60°、副偏角15°、前角5°、后角8°的可轉(zhuǎn)位車刀。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析

金剛石刀頭材料的質(zhì)量檢測(cè)

圖2為制備的CVD金剛石刀頭的Raman光譜圖。由圖可見(jiàn)，在1332cm-1處有一尖銳且高強(qiáng)度的金剛石特征峰，表明材料為純晶質(zhì)金剛石，無(wú)石墨和非晶碳成分。圖3為金剛石刀頭的掃描電鏡(SEM)照片。由圖可見(jiàn)，金剛石晶?？堂媲逦?，堆砌密實(shí)，粒徑較粗大，表明金剛石膜結(jié)晶質(zhì)量良好。由檢測(cè)結(jié)果可知，制備的CVD金剛石刀頭材料為質(zhì)量良好的純晶質(zhì)多晶金剛石。

金剛石表面金屬化處理對(duì)釬焊效果的影響

       金剛石刀頭與硬質(zhì)合金刀架的焊接效果可通過(guò)焊后刃磨過(guò)程中刀頭是否脫落來(lái)定性表征(所有刀具樣品的刃磨工藝相同)。刀頭表面W金屬化層的制備工藝對(duì)釬焊效果的影響見(jiàn)表2。掃描電鏡分析結(jié)果表明W層的厚度為4～6μm。

表2不同溫度下金屬化處理刀頭的釬焊效果金屬化層材料W

表2 不同溫度下金屬化處理刀頭的釬焊效果

金屬化層材料 W

沉積溫度 800℃ 850℃ 900℃ 950℃ 1000℃
釬焊條件 大氣環(huán)境，高頻感應(yīng)加熱850℃
刃磨結(jié)果 刀頭脫落 刀具合格
失效形式 金屬化層W膜與金剛石脫離，露出金剛石生長(zhǎng)面 無(wú)失效


釬焊條件大氣環(huán)境，高頻感應(yīng)加熱850℃
刃磨結(jié)果刀頭脫落刀具合格
失效形式金屬化層W膜與金剛石脫離，露出金剛石生長(zhǎng)面無(wú)失效

       金屬W是一種強(qiáng)碳化物形成元素，在高溫(900～1000℃)下能與金剛石表面碳原子發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的碳化物WC，從而實(shí)現(xiàn)與金剛石間牢固的化學(xué)鍵合；由于W的熱膨脹系數(shù)與金剛石接近，高溫沉積產(chǎn)生的熱應(yīng)力較低，沉積的W層與金剛石之間具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，加之W與Ag- Cu合金焊料的浸潤(rùn)性較好，因此通過(guò)在CVD金剛石表面沉積一層金屬W薄膜，可較好解決金剛石與低熔點(diǎn)合金焊料之間浸潤(rùn)性差、金剛石刀頭與鋼或硬質(zhì)合金刀架不易焊接的問(wèn)題。

       此外，在大氣環(huán)境中焊接時(shí)，CVD金剛石表面的W金屬化層可隔絕金剛石與氧氣的直接接觸，防止金剛石在高溫下被氧化，因此在溫度高達(dá)850℃的大氣環(huán)境下焊接仍可獲得良好的焊接效果。通過(guò)表面W金屬化處理后，原來(lái)只能在真空或保護(hù)性氣氛中進(jìn)行的高溫釬焊過(guò)程可在大氣環(huán)境中進(jìn)行，有利于降低焊接成本，提高焊接強(qiáng)度。

       刃磨結(jié)果表明，CVD金剛石在900～1000℃的溫度下沉積一層4～6μm厚的金屬W后，可實(shí)現(xiàn)與低熔點(diǎn)合金焊料的良好結(jié)合。焊后刃磨及切削試驗(yàn)結(jié)果表明，該新工藝焊接牢固，完全可滿足使用要求。

       由表2還可看出，當(dāng)金屬化處理時(shí)W的沉積溫度低于900℃時(shí)，W層與金剛石的結(jié)合強(qiáng)度不高，W膜在焊后刃磨過(guò)程中受沖擊時(shí)易與金剛石脫離，其原因可能是在低于900℃條件下沉積的W膜與金剛石間的碳化物界面過(guò)渡層厚度不夠，從而影響了結(jié)合強(qiáng)度。

金剛石厚膜焊接車刀的切削加工性能

       用刃磨合格的CVD金剛石厚膜焊接車刀在國(guó)產(chǎn)精密車床上進(jìn)行加工Al棒的切削試驗(yàn)，切削條件及加工結(jié)果見(jiàn)表3。

表3金剛石車刀的切削條件及切削效果


       由表3可見(jiàn)，用CVD金剛石厚膜焊接車刀加工出的Al件表面粗糙度極小，達(dá)到了普通磨床的磨削效果，可實(shí)現(xiàn)以車代磨。

4.結(jié)論

       通過(guò)在CVD金剛石表面化學(xué)氣相沉積一層W金屬膜，可改善其與低熔點(diǎn)合金焊料的浸潤(rùn)性，解決CVD金剛石可焊性差的問(wèn)題。

       通過(guò)對(duì)CVD金剛石刀頭表面的W金屬化處理，可在大氣環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)與硬質(zhì)合金刀架的焊接。

      用CVD金剛石厚膜刀具加工有色金屬可獲得高質(zhì)量加工表面，達(dá)到以車代磨的目的。