[发明专利]复杂形状金刚石涂层刀具的HFCVD批量制备方法

说明书

本发明公开了一种复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的HFCVD批量制备方法；将预处理后的复杂形状刀具刀柄插入刀具冷却底座后，放置在HFCVD设备水冷工作台上；刀具冷却底座由钼片层、石墨层、紫铜层或不锈钢层择优搭配而成；刀具冷却底座上设有与刀柄直径和长度相匹配的钻孔；HFCVD设备采用单层热丝；HFCVD设备在刀具安装及薄膜生长过程中，通过控制水冷工作台升降可实现刀具冷却底座自由升降；通入氢气、碳源及掺杂源在复杂形状刀具表面沉积单层或复合金刚石薄膜。本发明能够方便、有效地控制刀具刀刃区域温度数值，保证温度场及反应基团密度场的均匀分布，保证金刚石薄膜的均匀沉积，避免刀柄位置积碳杂质沉积造成“黑杆”现象。

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的方法，具体是一种复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的HFCVD批量制备方法。

背景技术

随着工件材料向着轻量化、复合化方向发展，高硅铝(铅)合金、金属(陶瓷)基复合材料、陶瓷、碳和石墨复合材料、其他纤维增强复合材料、强化木地板等难加工材料在汽车、航空航天和模具等行业中大量使用。以硬质合金材料为主的整体式旋转刀具如麻花钻、立铣刀等复杂形状刀具使用量大面广，而这些刀具在高速切削加工上述难加工材料时刀具磨损严重，加工精度及表面质量难以保证。

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)金刚石薄膜具有十分接近天然金刚石的高硬度、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，从而使其在复杂形状刀具涂层领域具有广阔的应用前景。近年来，CVD金刚石薄膜涂层技术的发展使得高性能复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的制备成为可能，CVD金刚石薄膜涂层刀具制备成本降低、效率提高、适宜于任意形状，其制备不受衬底形状的制约。因此，解决上述刀具磨损严重、加工精度及表面质量难以保证问题的一种新方法就是在复杂形状刀具(不限于硬质合金刀具，亦可以是陶瓷、CBN、带过渡层的高速钢或带过渡层的硬质合金刀具)工作表面涂覆金刚石薄膜，用以延长刀具的寿命、提高生产效率并改善加工的质量，将金刚石薄膜与复杂形状刀具几何结构组合起来，必将为各类难加工材料提供最有效的加工解决方案，复杂形状CVD金刚石薄膜涂层刀具最有希望成为新一代应用于石墨、碳纤维或玻璃纤维、陶瓷预烧体以及铝硅合金等高效加工的新型刀具。

热丝CVD(Hot Filament CVD，简称HFCVD)方法具有成本低、设备简单、工艺稳定、适用于复杂形状及大面积沉积的优点，是最适用于金刚石薄膜涂层刀具产业化生产的方法，目前国内外HFCVD金刚石薄膜涂层复杂形状钻头和铣刀正在产业化过程中；在采用HFCVD方法对钻头或铣刀的刀刃部分进行金刚石薄膜沉积时，沉积区域(刀刃区域，基体)的表面温度数值、温度场及反应基团密度场分布均匀性对薄膜质量及均匀性有着很大的影响。

用于沉积HFCVD金刚石薄膜的适宜的基体温度区间约为500-1000℃，最适宜区间约为700-900℃；超出适宜区间的基体温度难以保证金刚石薄膜的连续高效生长，在该区间内，基体温度越高，金刚石薄膜沉积速率越快，但薄膜内应力会增加，膜基结合强度下降，反之，基体温度越低，金刚石薄膜沉积速率越慢，薄膜内应力较小，膜基结合强度及薄膜质量较高，因此，针对不同类型复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的批量制备需求，需要对其基体温度数值进行具有不同侧重的控制。

HFCVD方法所采用的热源是直径较小的热丝(钽丝或钨丝)，热源排布决定了复杂形状金刚石薄膜涂层刀具批量制备过程中，单支刀具刀刃不同位置以及不同刀具的刀刃表面基体温度必然存在差异，热丝与单支刀具刀刃不同位置以及不同刀具的刀刃表面之间辐射距离及辐射角的差异还会导致反应基团密度场分布的不均匀性，为了保证单支刀具不同位置及批量刀具之间金刚石薄膜沉积厚度及质量的均匀性，还需要对基体表面温度场及反应基团密度场分布的均匀性进行控制。尤其是大部分钻头和铣刀都是细长轴，导热不良，这给上述控制目标造成了更大的难度。