[发明专利]复杂CVD金刚石刀具的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬刀具的制备方法，尤其是一种刀头切削刃形状复杂的超硬刀具的制备方法，具体地说是一种复杂CVD金刚石厚膜刀具的制备方法。

背景技术

化学气相沉积（CVD）金刚石不含有金属或非金属添加剂，纯度很高，它被认为是加工有色金属及其合金、金属复合材料、陶瓷、碳纤维、玻璃纤维制品、硬质合金、石材等最理想的刀具材料。CVD金刚石厚膜刀具是将厚度在0.1mm以上的金刚石厚膜切割成小块后焊接在刀杆上制成的刀具。目前CVD金刚石厚膜刀具进入实用阶段，美国、日本和欧洲的一些国家已经有产品在市场上出售。国内的一些高校和研究机构也进行了大量的研究，取得了一定的成果，但主要受到技术和经济两方面的制约，目前金刚石厚膜刀具的实际应用规模还非常小。

刀具的切削性能好坏、适应领域和使用寿命不仅与刀具的材质有关，还与刀具切削部分的几何形状密切相关，现代高性能刀具切削部分的几何形状越来越复杂。CVD金刚石厚膜刀具的切削部分材料都是金刚石，其硬度、摩擦系数、热导率、弹性模量等物理性能都接近天然金刚石的优越性能，这使得常用的刃磨方法很难磨出几何形状复杂的刀具。目前复杂CVD金刚石厚膜刀具加工非常困难，加工效率极低，加工成本很高，所以目前的CVD金刚石厚膜刀具基本是刃型非常简单的刀具，这对CVD金刚石厚膜刀具的性能充分发挥、适应领域、使用寿命都有很大的限制。提高金刚石膜的加工效率和加工质量，对金刚石厚膜刀具的发展将起到很大的推动作用。采用容易加工的材料作为模具，在模具型腔内沉积形状复杂的CVD金刚石厚膜刀片，可以避免复杂CVD金刚石厚膜刀片的复杂型面成型、研磨和抛光加工。

 

发明内容

本发明的目的是针对复杂CVD金刚石刀具加工非常困难，加工效率非常低，加工成本很高的问题，发明一种基于模具法的复杂CVD金刚石厚膜刀具制造方法，容易成形的复杂CVD金刚石厚膜刀具的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种复杂CVD金刚石刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

基体准备：基体厚度t≥5mm，基体两面先进行研磨处理，然后在其中的一个面上沉积厚度大于5μm的阻隔膜；

模具加工：在基材有阻隔膜的一面上加工出与刀具形状和尺寸一致的凹模型腔，并对凹模型腔进行研磨抛光，使其表面粗糙度Ra≤0.02μm；

凹模型腔的预处理：采用纳米金刚石悬浊液对研磨抛光后的凹模型腔进行超声波处理，处理时间为20～40min；

沉积：采用CVD沉积法在凹模型腔内沉积厚度大于0.5mm的、与最终刀具形状和尺寸一致的复杂CVD金刚石厚膜刀片；

脱模：在基体降温过程中，当基体温度下降到600℃时在2分钟内快速降温到400℃，在热应力作用下实现复杂CVD金刚石厚膜刀片与凹模型腔接触面分离；

去应力：将复杂CVD金刚石厚膜刀片放在有保护气体的真空中在600℃～650℃的温度下退火处理，退火保温2小时，然后缓慢冷却到室温；

焊接：将去应力后的复杂CVD金刚石厚膜刀片焊接在形状和尺寸相配的硬质合金刀体上。

所述的基体的材料应该同时具备两个特征：容易加工，适合金刚石沉积和生长，如Si、Mo等。

所述的阻隔膜材料应该同时具备两个特征：熔点高于1500℃，金刚石不易成核和生长，如Co、Al₂O₃、Fe等。

所述的去应力时采用的保护气体为惰性气体与氢气的混合气体，混合气体的体积比为98：2，真空室气压小于5kPa。

所述的复杂刀具为金属切削刀具、复合材料加工刀具和木工刀具等。

所述的复杂CVD金刚石厚膜刀片与硬质合金刀体的焊接连接是采用银铜钛基焊料真空钎焊。

本发明的有益效果：

1、采用本发明方法制备的复杂CVD金刚石厚膜刀片的前刀面表面粗糙度值Ra<0.1μm，前刀面不需要研磨和抛光加工就可以使用。沉积复杂CVD金刚石厚膜刀片的基体材料相对容易加工，采用目前常用的加工技术可以较容易得到精度高、形状复杂的模具型腔（即凹模型腔）。在模具型腔内沉积的复杂CVD金刚石厚膜刀片是对模具型腔内表面的形状复制，因而可以获得精度高、形状复杂的CVD金刚石厚膜刀片，避免了对极其难加工的CVD金刚石进行成型加工，降低了复杂CVD金刚石厚膜刀片的制作成本。

2、阻隔膜上不会沉积CVD金刚石，阻隔膜可以有效控制CVD金刚石膜的沉积范围。