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，國內(nèi)外已先后開發(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，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題。盡管通過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。因此有必要研究開發(fā)更簡便、更可靠、成本更低的金剛石焊接工藝方法。本文對此進(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

圖2為制備的CVD金剛石刀頭的Raman光譜圖。由圖可見，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，金剛石晶粒刻面清晰，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焊后刃磨過程中刀頭是否脫落來定性表征(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釬焊效果的影響見表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，露出金剛石生長面 無失效


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，露出金剛石生長面無失效

       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合金焊料的浸潤性較好，因此通過在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)合金焊料之間浸潤性差、金剛石刀頭與鋼或硬質(zhì)合金刀架不易焊接的問題。

       此外，在大氣環(huán)境中焊接時，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。通過表面W金屬化處理后，原來只能在真空或保護(hù)性氣氛中進(jìn)行的高溫釬焊過程可在大氣環(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W的沉積溫度低于900℃時，W層與金剛石的結(jié)合強(qiáng)度不高，W膜在焊后刃磨過程中受沖擊時易與金剛石脫離，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)果見表3。

表3金剛石車刀的切削條件及切削效果


       由表3可見，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)合金焊料的浸潤性，解決CVD金剛石可焊性差的問題。

       通過對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。