一種專門用于刀具的熱絲CVD金剛石

楊成武，劉 曉，李 衛(wèi)

(北京沃爾德金剛石工具股份有限公司，北京 100015)

1 引 言

金剛石具有極高的硬度和良好的物理化學穩(wěn)定性，廣泛地應用于刀具行業(yè)[1]。金剛石刀具分為單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具。單晶刀具又可以分為天然單晶金剛石刀具和人工合成單晶金剛石刀具。多晶金剛石刀具分為聚晶金剛石 (PCD)刀具和化學氣相沉積(CVD)金剛石膜刀具。其中CVD金剛石膜刀具又可分為CVD金剛石厚膜刀具和CVD金剛石涂層刀具。在實際應用過程中，由于天然金剛石產(chǎn)量極少，從而造成天然單晶金剛石刀具價格昂貴，而且這種金剛石具有解理面，沖擊韌性較低，限制了其在工業(yè)中大規(guī)模的推廣使用。因此，高質(zhì)量的單晶工業(yè)金剛石刀具僅用于精切金、銅、鋁等材料工件的鏡面加工。

PCD刀具是由一薄層細晶粒用粘結(jié)相鈷(5%～10%)燒結(jié)一起的。主要優(yōu)點是韌性好，但由于含有鈷元素，高速切削時產(chǎn)生的高溫會使金剛石石墨化，從而造成刀具的磨損。

CVD金剛石涂層刀具一般是采用化學氣相沉積的方法，在韌性好、強度高的硬質(zhì)合金襯底上沉積厚度10～50μm的金剛石薄膜。金剛石涂層能顯著延長刀具的使用壽命，改善刀具的使用效果。然而金剛石薄膜與硬質(zhì)合金襯底間附著性較差，當金剛石膜的內(nèi)應力大于附著力時，薄膜就會破裂，甚至脫落。這個缺點嚴重限制了CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具的大規(guī)模工業(yè)化應用。薄膜涂層刀具更適合于多刃復雜形狀刀具。

CVD金剛石厚膜刀具的制備是將厚度在0.5～1.5mm的金剛石厚膜切割成所要求的各種形狀的刀頭，然后焊接在刀桿上。CVD金剛石的性能與天然金剛石十分接近，不含金屬結(jié)合劑，純度高。和PCD金剛石相比，CVD金剛石的硬度、耐磨性和熱導率更高，摩擦系數(shù)更小，化學穩(wěn)定性更好，其韌性優(yōu)于單晶金剛石，在切削精度等方面優(yōu)于PCD刀具，耐磨性是PCD刀具的2倍以上。由于CVD金剛石刀具導熱性好，比PCD要高約50%，CVD金剛石允許刀具承受的機械加工溫度可達800℃以上 ，而PCD刀具當機械加工溫度接近700℃時，就會受到熱損壞。CVD金剛石能在較高的切削速度下使工件獲得較好的表面粗糙度，主要用于加工鋁合金、高硅鋁合金、碳纖維復合材料、工程塑料、玻璃纖維、石墨和其它有色金屬，適用于精加工和粗糙度要求高的場合。因此，CVD金剛石厚膜刀具有著更廣闊的應用前景[2-4]。

但是，目前CVD金剛石膜的晶粒比較粗大，嚴重限制了CVD金剛石多晶材料在刀具行業(yè)的應用。本文采用一種新型熱絲CVD金剛石厚膜生長工藝，在不影響成本的情況下，提高了金剛石的成核密度，細化了晶粒尺寸，降低了生長速率，減小了金剛石厚膜中的孔洞缺陷和雜質(zhì)，制成刀具后提高了鋒銳度。

2 CVD金剛石厚膜工藝

目前，CVD金剛石沉積方法主要有熱絲(HFCVD)法、直流等離子噴射(DC-Jet)法和微波等離子(MWCVD)法。

熱絲CVD法的優(yōu)點是技術和生長裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，制作成本低，沉積面積大，不足是熱絲法容易帶來金屬污染，而且氣體離化率低，生長金剛石質(zhì)量較低。直流電弧等離子體噴射CVD等離子體離化程度高，沉積速率和金剛石膜的質(zhì)量都很高，缺點是工藝較難控制，電力和氣體消耗大，成本較高，且存在一定的電極污染。微波CVD的等離子體由微波能量維持，是一種無極放電過程，等離子很純凈，金剛石質(zhì)量高。缺點是設備價格昂貴，成本高[5]。

在以上三種方法中，微波CVD生產(chǎn)金剛石厚膜透光性好，質(zhì)量高，但其成本較高。直流噴射CVD金剛石半透光，內(nèi)部含有少量黑色孔洞缺陷，質(zhì)量較高，但是生長速率快(10μm/h以上)，晶粒粗大，韌性也比較差，不適合用在對韌性要求高的場合。

普通熱絲CVD金剛石，呈現(xiàn)黑色，不透光，內(nèi)部雜質(zhì)和孔洞缺陷最多，生長速率比較慢(3～4μm/h)，而且，在生長過程中容易掉落灰塵，形成大顆粒，嚴重影響刀具材料的質(zhì)量。

CVD金剛石應用在刀具中必須滿足以下幾點要求：(1)、成核密度高；(2)、晶粒細小；(3)、具有一定的韌性。但是，降低生長速率，細化晶粒，提高產(chǎn)品質(zhì)量，又會增加成本，不利于推廣。

鑒于以上分析，我公司在普通熱絲CVD基礎上研發(fā)一種新型熱絲CVD生長工藝，在保證成本不變的情況下，提高成核密度，細化熱絲CVD金剛石的晶粒，避免了落塵形成的大顆粒，減少了孔洞缺陷和雜質(zhì)，并加大有效生長面積，降低生長速率(2μm/h)。采用該工藝生長的CVD金剛石專用于刀具的應用和推廣。

3 新型熱絲CVD金剛石

3.1 新型熱絲CVD金剛石的生長工藝

新型熱絲CVD金剛石生長工藝參數(shù)：壓力4000Pa～6000Pa，生長溫度控制在800℃～1000℃；利用酒精作為碳源，用量為100mL/min，氫氣用量為1100mL/min；生長速度控制在2μm/h。

3.2 新型熱絲CVD金剛石的抗壓強度和磨耗比性能測試

測試條件：測試砂輪采用硬度3.4碳化硅陶瓷平行砂輪，砂輪直徑100mm，行寬16mm；樣品規(guī)格統(tǒng)一采用3×4.5mm尺寸；卡具擺幅定為20mm，卡具擺頻約為25次/分鐘。采用每次進刀1絲，每行程2絲；用砂輪失重除以樣品失重，得出磨耗比[6]。

表1 普通熱絲CVD金剛石、直流噴射CVD金剛石和新型熱絲CVD金剛石的抗壓強度數(shù)據(jù)對比

表2 普通熱絲CVD金剛石、直流噴射CVD金剛石和新型熱絲CVD金剛石的磨耗比數(shù)據(jù)對比

表1為抗壓強度測試數(shù)據(jù)對比。從抗壓性能來看，新型熱絲CVD金剛石抗壓強度高，優(yōu)于普通熱絲CVD，直流噴射CVD抗彎強度最低。這說明新型熱絲CVD金剛石材料的韌性和晶界結(jié)合力比較好。表2為磨耗比測試數(shù)據(jù)對比。通過磨耗比測試可以看出，新型熱絲CVD金剛石磨耗比介于普通熱絲CVD和直流噴射CVD金剛石材料之間。也說明了新型熱絲CVD金剛石晶界結(jié)合力大于普通熱絲CVD金剛石。同時，內(nèi)部的孔洞缺陷、雜質(zhì)都比普通熱絲CVD金剛石要少。新型熱絲CVD金剛石保證了良好韌性，同時提高了材料的強度。

3.3 新型熱絲CVD金剛石的金相測試對比

圖1a為普通熱絲CVD金剛石(厚度0.8mm)，從金相圖中可以看出成核面缺陷較多。圖1b為直流噴射CVD金剛石(厚度0.85mm)，金相圖顯示有零星的缺陷。圖1c為新型熱絲CVD金剛石(厚度0.8mm)，其生長溫度較低，碳源比例高，保證了其高的成核密度。同時，生長速率慢導致內(nèi)部孔洞缺陷和雜質(zhì)較少。成核過程在整個生長過程中十分重要，良好的成核能保證厚膜晶粒生長的完整、雜質(zhì)少、缺陷少，厚膜質(zhì)量高。

圖1a 普通熱絲CVD金剛石圖1b 直流噴射CVD金剛石圖1c 新型熱絲CVD金剛石Fig.1a common HFCVD diamondFig.1b DC jet CVD diamondFig.1c new HFCVD diamond

3.4 新型熱絲CVD金剛石的顯微鏡觀測對比

圖2a為普通熱絲CVD金剛石(45倍，厚度為0.80mm)；圖2b為直流噴射CVD金剛石(45倍，厚度0.85mm)；圖2c為新工藝熱絲CVD金剛石(45倍，厚度為0.8mm)。從三種CVD金剛石樣品圖可以明顯看出，新型熱絲CVD金剛石晶粒較細。新型熱絲CVD金剛石晶粒較細得益于碳源氣體流動方式的改進和生長過程中腔室上部落下顆粒的移除。同時生長緩慢成核良好保證了材料的致密，提高了強度。

圖2a 普通熱絲CVD金剛石圖2b 直流噴射CVD金剛石圖2c 新型熱絲CVD金剛石Fig.2a common HFCVD diamond Fig.2b DC jet CVD diamondFig.2c new HFCVD diamond

4 結(jié)論

相比目前廣泛使用的PCD刀具，CVD金剛石厚膜刀具在高耐磨及高光潔度方面更有優(yōu)勢，在國外高精密加工行業(yè)已經(jīng)大量應用。但是，國內(nèi)CVD金剛石厚膜刀具的開發(fā)和應用一直處于低谷，停滯不前。主要原因：(1)CVD金剛石厚膜顆粒較粗； (2)加工難度大，成本高；(3)生產(chǎn)設備與國外相比較差，工藝，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；(4)使用工況不當；(5)性價比與PCD刀具相比較差。

以上這些原因都制約了CVD金剛石厚膜刀具在國內(nèi)的發(fā)展。因此生產(chǎn)細粒度，雜質(zhì)少的CVD金剛石厚膜是推廣CVD金剛石厚膜刀具的關鍵。采用新型熱絲CVD法生長的金剛石，具有韌性好、強度高、晶粒細小、孔洞缺陷及雜質(zhì)少等優(yōu)點，是CVD金剛石刀具的理想材料。