CVD金刚石薄膜涂层刀具的技术进展

2017-02-09


  

  近年来,汽车、航空和航天等工业的持续发 展,对轻质高强度材料(例如碳纤维增强塑料、 有色金属及合金等)切削加工的质量和效率提出 了更高的要求,由此对切削加工所用刀具的性能 和质量也提出了更高的要求。化学气相沉积 (chemical vapor deposition, CVD)金刚石薄膜涂 层刀具因具有制备工艺简单、可以做成各种复杂 形状刀刃,而且具有很高的硬度、耐磨性和良好 的冲击韧性等诸多优点,能够满足加工中心大批量、高效率、高精度的加工要求,而逐渐成为切削轻质高强度材料的主流刀具。

  但是,与工业发 达国家相比,我国在CVD金刚石涂层刀具的涂层 制备、表面抛光等技术方面还存在较大差距,导 致目前刀具市场上的金刚石涂层刀具主要以美国、 德国及日本等工业发达国家的知名品牌刀具为主,严重阻碍了国内CVD金刚石涂层刀具技术的发 展。因此,在"中国制造2025”的大背景下抓住机遇,努力研究CVD金刚石的薄膜制备工艺方法,提高涂层刀具的膜/基结合强度,并进一步提 高刀具表面抛光技术等,对于制造高质量、低成 本的金刚石刀具,争创我国刀具自有品牌和提高刀具市场占有率具有重要意义。

  1、CVD金刚石薄膜涂层刀具技术

  CVD金刚石涂层刀具技术主要包括刀具材料 技术、涂层制备技术、抛光技术、涂层检测技术和应 用技术等。其中,涂层材料、涂层制备技术、刀具表 面抛光技术以及膜/基结合强度与刀具的性能和质 量密切相关,因而受到人们的高度关注,成为CVD 金刚石薄膜涂层刀具技术研究的重点和热点。下面简要加以概述。

  可以看出,微米金刚石涂层的突出优点是与基 体的结合强度高,纳米金刚石涂层的突出优点是表 面粗糙度低。而微/纳米复合涂层兼具了两者的优 点,因而使金刚石涂层刀具拥有更好的切削性能,成为当前许多学者的研究热点。薛海鹏利用热 丝化学沉积法制备了纳米金刚石涂层刀具和不同 涂层结构的微/纳米复合涂层刀具,并通过压痕实 验得出复合涂层比单一的纳米涂层具有更强的膜/ 基结合力度。邓福明等制备了微/纳米金刚石涂层,并利用该涂层刀具进行了高硅铝合金切削试 验,最后借助工具显微镜对刀具表面受损情况进行 观察测量,结果表明,金刚石刀具涂层膜/基结合强 度高、表面耐磨性好。

  1. 2 薄膜涂层制备技术

  CVD金刚石的制备主要是在低压条件(≤100kPa)下,通过CVD装置释放能量以激活装置内 含碳气体,使其中的碳原子在基底上过饱和沉积生 长成金刚石。自20世纪80年代制备金刚石膜的 技术取得突破性进展以来,制备金刚石膜的沉积工 艺逐渐成为各国的研究热点,相继出现了多种不同 的金刚石膜制备方法,主要有热丝化学气相沉积(HFCVD)、微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)、直流等离子体化学气相沉积法(DPJCVD )、燃烧火焰化学气相沉积(combustion flame CVD)和直流电弧喷射等离子体化学气相沉 积(DC arc plasma jet CVD)等。其中,HFCVD 法是 最早成功应用于金刚石薄膜涂层的制备方法之一。 与其他方法相比,其装置结构比较简单,而且金刚 石薄膜沉积速率较快,是当前国内外制备金刚石刀 具薄膜涂层的主要方法。但是因设备中的发热体 钽丝或钨丝受热蒸发,蒸发的原子可能会附着于金 刚石薄膜上,并夹杂少量的无定形碳、石墨和氢,导 致薄膜涂层质量缺陷,因此该方法仍需进一步改进 与优化。MPCVD法具有电离度高、合成压力取值 范围宽以及沉积速率大等特点,便于金刚石膜的形成,而且沉积得到的金刚石薄膜质量较高。但是因设备成本高,目前还只是应用于微电子、光学等对金刚石膜质量要求较高的领域。诸多学者认为,随 着MPCVD技术的成熟及设备成本的不断降低,而 且采用MPCVD法合成的金刚石薄膜质量高,此合 成方法是最有前途的CVD法之一 ,将很有可能 取代HFCVD法广泛用于CVD金刚石刀具薄膜涂 层的制备。当然,还有其他一些已进入实用化阶段 的合成方法,如直流等离子体喷射CVD、热阴极直 流辉光等离子体CVD等,但这些方法由于受到生 产成本、生产质量、生产效率以及使用要求等限制, 目前还不适用于刀具涂层的制备,这里不再展开叙述。

  1.3 膜/基结合强度

  膜/基结合强度是影响CVD金刚石薄膜涂层刀具使用寿命的关键因素之一。膜/基结合强度越 高,越能保证CVD金刚石薄膜涂层在较大的切削 力作用下不会从刀具基体上剥离,从而充分发挥 CVD金刚石薄膜涂层刀具使用寿命长的特点。当 前国内外学者为提高CVD金刚石薄膜涂层刀具 膜/基结合强度做了大量实验研究,研究结果表明,表面预处理、添加中间过渡层以及去除或稳定刀具 基体表面层中的Co等措施能够有效提高膜丨基结 合强度,其具体措施和方法见表2.

  此外,国内学者还从沉积工艺角度出发,对影响CVD金刚石涂层刀具膜/基结合强度的因素做 了大量的仿真研究。简小刚等基于分子动力学 方法和分子动力学仿真软件Lammps对[100 ]、[110]、[111] 3种常见沉积晶向的金刚石涂层模 型的力学性能进行了仿真分析,结果表明,晶向为 [100]的金刚石涂层具有最高的膜丨基结合强度。 同时他还采用分子动力学软件MS (materials - stu-dio) 建立硬质合金基底金刚石涂层膜丨基界面三维模型,研究分析了沉积温度对膜/基结合强度的影 响,结果表明,沉积温度对膜/基结合强度的影响程度较大。

  1 .4表面抛光技术

  抛光是一种使用物理机械或化学药品来降低 物体表面粗糙度的工艺,在提高刀具表面质量方面 应用已久。CVD金刚石薄膜涂层刀具表面经过抛 光,可以显著改善刀具涂层的表面粗糙度,有效降 低刀具与工件之间的摩擦因数,减少刀具磨损,提 高刀具使用寿命和刀具切削性能。金刚石薄膜涂 层化学性质相对稳定、硬度高、厚度薄,导致抛光效 率低、难度大,且容易造成膜的破裂或损伤。为此, 国内外学者对金刚石膜抛光技术展开了一系列的 试验和研究,曾提出了多种不同的金刚石膜抛光方 法,主要有机械抛光、热铁板抛光、化学辅助机械抛 光、激光抛光、电蚀抛光、离子束抛光、电化学抛光、 等离子抛光、反应离子刻蚀和磨料水射流等。各种 抛光方法的机理和优缺点见表3.

  不同的抛光方法有各自的适用范围,目前还没 有哪一种抛光方法能完全满足不同的应用需求,在 实际使用中应依据刀具的表面质量要求、涂层形状、 涂层微观结构特点、抛光效率和抛光成本等来选择 合适的抛光方法。有关学者也一直在积极致力于各 种抛光方法的研究,以提高刀具表面的抛光质量和 效率。例如,苑泽伟等采用化学辅助机械抛光工 艺对金刚石涂层进行抛光并得到了最佳的抛光工艺 参数,最终使刀具获得了较低的表面粗糙度。

  2、CVD金刚石薄膜涂层刀具技术的发展趋势

  随着现代制造业的持续发展,市场对刀具的需 求不断扩大,尤其对高性能刀具的需求更是保持了 迅猛发展的势头。CVD金刚石薄膜涂层刀具作为 现代高效、精密切削刀具,除能够有效提高劳动生 产率和零件加工质量外,对高强度材料的切削加工 更具优势,因而受到国内外的普遍关注,其今后的 发展趋势主要有以下几个方面。

  2.1研发新型刀具涂层材料

  随着刀具行业朝“高效率,高精度,高可靠性 和专用化”方向迅速发展,微米、纳米、微/纳米金 刚石薄膜涂层刀具逐渐代替硬质合金刀具成为切 削难加工材料的主流刀具,同时各国也都在紧锣密 鼓地进行微米、纳米、微/纳米金刚石涂层材料以及 新型金刚石涂层材料的研究开发。美国先进金刚 石工艺公司制备的超纳米(晶粒尺寸3 ~5nm)涂 层材料具有极低的摩擦因数和表面粗糙度,能够大 幅度提高因刃口形状复杂而不容易进行抛光的 CVD金刚石涂层刀具(如多刃铣刀、钻头、丝锥等) 的表面质量和加工精度。与工业发达国家相比,我 国新型金刚石涂层材料的研发力度明显不足,目前 主要研究的对象是微米、纳米、微/纳米金刚石涂层 材料,在超纳米涂层材料、纳米丨过渡层丨微米涂层 材料的制备及性能研究方面少有报道。因此今后 的发展趋势是,改善涂层的制备工艺,优化涂层结 构,同时努力研发微米/超纳米、微米/过渡层/超纳 米等新型金刚石涂层材料,不断提高金刚石涂层刀 具性能,以满足不同精密加工场合的需求。

  2.2 进一步提高膜/基结合强度

  膜/基结合强度是评价刀具质量好坏的主要性 能指标。从CVD金刚石涂层刀具的发展历程可以看出,其膜/基结合强度一直是金刚石涂层刀具实 现大规模产业化的主要障碍,在CVD金刚石涂层 刀具使用过程中(尤其是在高速重负荷切削条件 下),膜/基结合强度不够,往往导致刀具基体与涂 层分离,成为刀具失效的主要原因之一。金刚石薄膜涂层刀具膜/基结合强度低主要是因为硬质合金 基体中的Co元素造成的。为此,近几年开展了大 量的实验研究,不断探索增强膜/基结合强度的方 法,但还仍处于采用实验试凑方法来提高刀具膜/ 基结合强度的阶段。目前,黏结相Co元素降低金 刚石涂层刀具膜/基结合强度的作用机理尚不清 晰。简小刚等基于密度泛函理论的第一性原 理,借助MS软件建立了含有一定Co元素的硬质 合金基底金刚石涂层膜/基界面模型,通过仿真计 算,从微观角度分析了黏结相Co元素对金刚石涂 层膜/基结合强度的影响,证实了 Co元素的存在 会削弱金刚石涂层刀具膜/基结合强度。因此,今 后需要将仿真计算与实验研究相结合,从微观角度 深入研究Co元素降低金刚石涂层刀具膜/基结合 强度的作用机理,并在此基础上,通过对硬质合金 基体表面进行预处理、添加热膨胀系数与金刚石相 匹配且易于同金刚石相结合的中间过渡层以及改 善沉积工艺等措施,有效提高刀具的膜/基结合强 度和使用寿命。

  2.3创新抛光工艺

  CVD金刚石薄膜涂层刀具的抛光效率和抛光 质量与抛光工艺方法密切相关。由于金刚石涂层 自身硬度高、耐磨性好以及厚度薄的特点,且涂层 结构组织不同、抛光质量要求也不虽然目前已 有多种抛光方法,但采用单一的抛光方法已不能很 好地实现高效、经济、高精度的抛光。为了兼顾各 种抛光方法的优点,可以通过不同工艺方法的合理 组合,来满足不同的抛光要求,创新金刚石薄膜涂 层的抛光工艺。国内外学者也在一直尝试将不同 的抛光方法组合起来使用,以提高金刚石薄膜的抛 光效率和抛光质量。苏青峰等将激光抛光和热 化学抛光工艺进行组合,对金刚石薄膜进行了抛光 加工,不仅缩短了抛光时间,而且使金刚石薄膜的 表面质量得到改善,满足了基本的应用要求。OL- LISON依次采用机械抛光法和化学辅助机械抛 光法对CVD金刚石膜进行抛光加工,得到了较理 想的微观表面。因此,今后的一个发展趋势是,合 理组合各种抛光方法,在金刚石涂层刀具粗抛光和 精抛光两个阶段采用不同的抛光工艺,即在粗抛光阶段,以提高涂层表面材料去除率为主,采用抛光 效率高的抛光工艺;在精抛光阶段,以提高涂层表 面质量为主,采用抛光质量好(涂层表面污染小、 粗糙度低)的抛光工艺。此外,还需加大在线监测 与控制系统的研究,以便在线检测刀具表面抛光状 态及实时控制抛光进度,进一步提高抛光效率和抛 光质量,并且使抛光工艺向实现自动化的方向发 展,逐渐摆脱对技术人员的依赖。

  2. 4 加大刀具表面退涂技术研究力度

  在CVD金刚石薄膜涂层刀具生产和修磨维护 过程中,刀具上有可能沉积了不符合要求的涂层(如硬度不佳、膜/基结合强度不够、局部脱落等), 若继续沉积涂层,会严重影响涂层质量,甚至形成 废品而造成不必要的浪费,这就需要采用退涂工艺 去除不良涂层。退涂工艺是一个过程相对复杂的 工艺,往往涉及多种物理或化学方法。

  对于不 同组织结构的金刚石涂层,采取的退涂工艺也不相 同。随着CVD金刚石薄膜涂层刀具的应用日益广 泛,未来针对CVD金刚石薄膜涂层刀具的退涂工 艺研究会成为涂层刀具技术的研究热点之将重 点解决退涂过程中基体受损(包括表面划伤、酸性 或碱性溶液腐蚀基体以及基体表面Co元素流失 等)和退涂不完全等问题。因此,国内还需继续加 大对金刚石涂层退涂工艺技术的研究力度,探索有 效、经济的退涂工艺方法,为金刚石涂层刀具的生 产和修磨维护提供强有力的理论和技术基础。

  3 结束语

  CVD金刚石薄膜涂层刀具既具有金刚石耐磨性好、硬度高的优异特性,又兼具了硬质合金基体 良好的强韧性和抗冲击性,在切削铝合金、纤维增 强塑料等轻质高强度材料方面的应用越来越广泛。 特别是近年来,CVD金刚石刀具涂层材料的不断 细化以及涂层制备技术、膜/基结合强度和抛光技 术的不断提高,使CVD金刚石涂层刀具的应用领 域更加广阔。随着CVD金刚石涂层刀具膜/基结 合强度的进一步提高、新型刀具涂层的研发,以及 抛光工艺的创新和退涂技术的成熟,CVD金刚石 薄膜涂层刀具将真正实现高质量、低成本的目标, 成为刀具家族的重要一员。