專利名稱：復(fù)雜cvd金剛石刀具的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超硬刀具的制備方法，尤其是一種刀頭切削刃形狀復(fù)雜的超硬刀具的制備方法，具體地說是一種復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀具的制備方法。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石不含有金屬或非金屬添加劑，純度很高，它被認(rèn)為是加工有色金屬及其合金、金屬復(fù)合材料、陶瓷、碳纖維、玻璃纖維制品、硬質(zhì)合金、石材等最理想的刀具材料。CVD金剛石厚膜刀具是將厚度在O. Imm以上的金剛石厚膜切割成小塊后焊接在刀桿上制成的刀具。目前CVD金剛石厚膜刀具進(jìn)入實(shí)用階段，美國、日本和歐洲的一些國家已經(jīng)有產(chǎn)品在市場上出售。國內(nèi)的一些高校和研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果，但主要受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的制約，目前金剛石厚膜刀具的實(shí)際應(yīng)用規(guī)模還非常小。刀具的切削性能好壞、適應(yīng)領(lǐng)域和使用壽命不僅與刀具的材質(zhì)有關(guān)，還與刀具切削部分的幾何形狀密切相關(guān)，現(xiàn)代高性能刀具切削部分的幾何形狀越來越復(fù)雜。CVD金剛石厚膜刀具的切削部分材料都是金剛石，其硬度、摩擦系數(shù)、熱導(dǎo)率、彈性模量等物理性能都接近天然金剛石的優(yōu)越性能，這使得常用的刃磨方法很難磨出幾何形狀復(fù)雜的刀具。目前復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀具加工非常困難，加工效率極低，加工成本很高，所以目前的CVD金剛石厚膜刀具基本是刃型非常簡單的刀具，這對CVD金剛石厚膜刀具的性能充分發(fā)揮、適應(yīng)領(lǐng)域、使用壽命都有很大的限制。提高金剛石膜的加工效率和加工質(zhì)量，對金剛石厚膜刀具的發(fā)展將起到很大的推動作用。采用容易加工的材料作為模具，在模具型腔內(nèi)沉積形狀復(fù)雜的CVD金剛石厚膜刀片，可以避免復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片的復(fù)雜型面成型、研磨和拋光加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對復(fù)雜CVD金剛石刀具加工非常困難，加工效率非常低，加工成本很高的問題，發(fā)明一種基于模具法的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀具制造方法，容易成形的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀具的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種復(fù)雜CVD金剛石刀具的制備方法，其特征是它包括以下步驟
Φ基體準(zhǔn)備基體厚度t ^ 5mm，基體兩面先進(jìn)行研磨處理，然后在其中的一個面上沉積厚度大于5μπι的阻隔膜；
:f:模具加工在基材有阻隔膜的一面上加工出與刀具形狀和尺寸一致的凹模型腔，并對凹模型腔進(jìn)行研磨拋光，使其表面粗糙度Ra < O. 02 μ m ;:f.凹模型腔的預(yù)處理采用納米金剛石懸濁液對研磨拋光后的凹模型腔進(jìn)行超聲波處理，處理時間為20 40min ；
:$沉積采用CVD沉積法在凹模型腔內(nèi)沉積厚度大于O. 5mm的、與最終刀具形狀和尺寸一致的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片；
脫模在基體降溫過程中，當(dāng)基體溫度下降到600°C時在2分鐘內(nèi)快速降溫到400°C，在熱應(yīng)力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片與凹模型腔接觸面分離；
:.t:去應(yīng)力將復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片放在有保護(hù)氣體的真空中在600°C 650°C的溫度下退火處理，退火保溫2小時，然后緩慢冷卻到室溫；
焊接將去應(yīng)力后的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片焊接在形狀和尺寸相配的硬質(zhì)合金刀體上。所述的基體的材料應(yīng)該同時具備兩個特征容易加工，怎.適合金剛石沉積和生長，如Si、Mo等。所述的阻隔膜材料應(yīng)該同時具備兩個特征熔點(diǎn)高于1500°C，:2金剛石不易成核和生長，如Co、Al2O3、Fe等。所述的去應(yīng)力時采用的保護(hù)氣體為惰性氣體與氫氣的混合氣體,混合氣體的體積比為98 :2，真空室氣壓小于5kPa。所述的復(fù)雜刀具為金屬切削刀具、復(fù)合材料加工刀具和木工刀具等。所述的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片與硬質(zhì)合金刀體的焊接連接是采用銀銅鈦基焊料真空釬焊。本發(fā)明的有益效果
I、采用本發(fā)明方法制備的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片的前刀面表面粗糙度值Ra〈0. I μ m，前刀面不需要研磨和拋光加工就可以使用。沉積復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片的基體材料相對容易加工，采用目前常用的加工技術(shù)可以較容易得到精度高、形狀復(fù)雜的模具型腔(即凹模型腔)。在模具型腔內(nèi)沉積的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片是對模具型腔內(nèi)表面的形狀復(fù)制，因而可以獲得精度高、形狀復(fù)雜的CVD金剛石厚膜刀片，避免了對極其難加工的CVD金剛石進(jìn)行成型加工，降低了復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片的制作成本。2、阻隔膜上不會沉積CVD金剛石，阻隔膜可以有效控制CVD金剛石膜的沉積范圍。3、基體上加工多個型腔，可以一次沉積多個復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片，提高了復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片的沉積效率。4、采用熱應(yīng)力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金剛石厚膜刀片與凹模型腔接觸面分離，這種方法脫模簡單，脫模后模具型腔保持完整，模具可以重復(fù)使用，模具利用率高，降低了復(fù)雜CV金剛石厚膜刀片的制備成本。 5、去應(yīng)力退火后CVD金剛石厚膜刀片的殘余應(yīng)力值大大降低，刀片產(chǎn)生裂紋的幾率大大降低，提高了復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片的成品率。6、釬焊連接的金剛石厚膜刀片與硬質(zhì)合金刀體之間的連接可靠，刀具在切削過程中不會產(chǎn)生金剛石厚膜刀片剝離和脫落。


圖I是本發(fā)明的加工工藝流程示意圖。圖中1.基材，2.阻隔膜，3.凹模型腔，4.金剛石厚膜刀片，5.焊料，6.硬質(zhì)合金刀體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖I所示。一種復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀具的制備方法，它包括以下步驟
(J)基體準(zhǔn)備選擇容易加工，適合金剛石沉積和生長的材料如Si或Mo作為基材1，控
制基材的厚度t > 5mm，基體兩面先進(jìn)行研磨處理，然后在其中的一個面上沉積厚度大于5 μ m的熔點(diǎn)高于1500°C且金剛石不易成核和生長的材料Co、A1203或Fe中的一種作為阻隔膜2，阻隔膜2沉積方法可采用濺射法、離子鍍、化學(xué)氣相沉積法等；
宜:模具加工在基材I上有阻隔膜2的一面上加工出與最終刀具形狀和尺寸一致的凹
模型腔3，并對凹模型腔3進(jìn)行研磨拋光，使其表面粗糙度Ra < O. 02 μ m,以便于在型腔表面沉積出表面光滑的CVD金剛石厚膜刀片；
模具型腔的預(yù)處理采用納米金剛石懸濁液對研磨拋光后的凹模型腔進(jìn)行超聲波
處理，處理時間為20 40min,以便于CVD金剛石在型腔表面成核；
$:沉積采用CVD沉積法在凹模型腔3內(nèi)沉積厚度大于O. 5mm的復(fù)雜CVD金剛石厚膜
刀片4，CVD沉積法與現(xiàn)有技術(shù)相同，為常規(guī)參數(shù)；
;f::脫模在基體降溫過程中，當(dāng)包含復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片4的基體溫度下降到
600°C時在2分鐘內(nèi)快速降溫到400°C，在熱應(yīng)力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片4與凹模型腔3接觸面分離，獲得自支撐的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片4 ；
去應(yīng)力采用惰性氣體(含量98%)與氫氣(含量2%)的混合氣體為保護(hù)氣體，控制真
空室的氣壓使之小于5kPa，在600°C 650°C的溫度下對復(fù)雜金剛石厚膜刀片4做退火處理，退火保溫2小時，然后緩慢冷卻到室溫；〔1.焊接采用銀銅鈦基焊料5進(jìn)行真空釬焊，將復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片4焊接在形狀和尺寸相配的硬質(zhì)合金刀體6上即得到復(fù)雜金剛石厚膜刀具。本發(fā)明所述的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片是指刀片的形狀為非單一平面結(jié)構(gòu)的形狀，尤其是指具有曲面或多切削刃的刀片。整個工藝流程如圖I所示。實(shí)例。用多晶Mo作為基體材料,基體切割成60_X60_X8mm的方塊?；w兩面研磨處理后在其中的一個面上沉積厚度為8μπι的Co阻隔膜。在基材有阻隔膜的面上加工出36個沉積金剛石車刀片凹模型腔，凹模型腔的長度5mm，深度2. 8mm,凹模型腔內(nèi)表面粗糙度Ra=O. 05 μ m。凹模型腔對應(yīng)的金剛石車刀片前角18°，后角7°，主偏角87°，副偏角32°，刃傾角5°，刃口半徑O. Imm,刀尖圓弧半徑O. 2mm?；纳?6個凹模型腔在基材上等間距均勻排布。采用納米金剛石粒度2飛nm的含納米金剛石粉O. 5%的懸濁液對研磨拋光后的凹模型腔進(jìn)行超聲波處理，處理時間為30min。采用熱絲CVD法沉積復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片，沉積時間60小時。降溫過程中基體溫度從600°C降溫到400°C用時5min，金剛石厚膜車刀片在熱應(yīng)力作用下與凹模型腔自動分離。改變沉積室氣氛為采用98%Ar+2%H2，控制真空室的氣壓為3kPa，在650°C的溫度下對復(fù)雜金剛石厚膜車刀片退火處理，退火保溫2小時。采用銀銅鈦基焊料將復(fù)雜CVD金剛石厚膜車刀片焊接在硬質(zhì)合金刀體上制成復(fù)雜金剛石厚膜車刀，用該厚膜車刀切削高硅鋁合金，刀具具有優(yōu)越的切削性能。使用壽命比傳統(tǒng)的刀具提高10倍。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜CVD金剛石刀具的制備方法，其特征是它包括以下步驟 3:基體準(zhǔn)備基體厚度t ^ 5mm，基體兩面先進(jìn)行研磨處理，然后在其中的一個面上沉積厚度大于5μπι的阻隔膜； :S.模具加工在基材有阻隔膜的一面上加工出與刀具形狀和尺寸一致的凹模型腔，并對凹模型腔進(jìn)行研磨拋光，使其表面粗糙度Ra < O. 02 μ m ; I凹模型腔的預(yù)處理采用納米金剛石懸濁液對研磨拋光后的凹模型腔進(jìn)行超聲波處理，處理時間為20 40min ； .I:沉積采用CVD沉積法在凹模型腔內(nèi)沉積厚度大于O. 5_的、與最終刀具形狀和尺寸一致的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片； $:脫模在基體降溫過程中，當(dāng)基體溫度下降到600°C時在2分鐘內(nèi)快速降溫到400°C，在熱應(yīng)力作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片與凹模型腔接觸面分離； 去應(yīng)力將復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片放在有保護(hù)氣體的真空中在600°C 650°C的溫度下退火處理，退火保溫2小時，然后緩慢冷卻到室溫； Z焊接將去應(yīng)力后的復(fù)雜CVD金剛石厚膜刀片焊接在形狀和尺寸相配的硬質(zhì)合金刀體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的基體的材料應(yīng)該同時具備兩個特征X容易加工，%適合金剛石沉積和生長。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的阻隔膜材料應(yīng)該同時具備兩個特征⑩熔點(diǎn)高于1500°C，1:金剛石不易成核和生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的去應(yīng)力時采用的保護(hù)氣體為惰性氣體與氫氣的混合氣體，混合氣體的體積比為98 :2，真空室氣壓小于5kPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的復(fù)雜刀具為金屬切削刀具、復(fù)合材料加工刀具或木工刀具。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是所述的焊接是采用銀銅鈦基焊料真空釬焊。
全文摘要
一種復(fù)雜CVD金剛石刀具的制備方法，其特征是它包括基材準(zhǔn)備；模具加工；模具型腔預(yù)處理；沉積；脫模；去應(yīng)力；焊接共7個步驟。本發(fā)明采用容易加工的材料作為模具，在模具型腔內(nèi)沉積形狀復(fù)雜的CVD金剛石厚膜刀片，可以避免對金剛石刀具切削部分復(fù)雜的幾何面進(jìn)行成型、研磨和拋光加工。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)精度高、形狀復(fù)雜的CVD金剛石厚膜刀片的成型，通過真空釬焊獲得復(fù)雜CVD金剛石刀具。方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可大大降低復(fù)雜金剛石厚膜刀具的制造成本。
文檔編號B23P15/28GK102615490SQ201210100130
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者于守鑫, 盧文壯, 孫玉利, 孫達(dá)飛, 左敦穩(wěn), 張 林, 徐鋒, 王品付, 王浩, 薛海鵬 申請人:南京航空航天大學(xué)