CVD 刀具

2012-11-23

▇　CVD 刀具 ...............................................


　 為迎合用戶對提高生產效率、減輕產品重量提出的要求，在機械加工中，正更多地使用各種先進材料。

許多企業在汽車零件和飛機結構件中大量使用非鐵材料，如矽鋁合金、金屬基和碳複合材料、玻璃纖維增強塑膠等。

雖然這些材料重量較輕，但在材料中添加了硬質耐磨顆粒作為強化劑，這無疑增加了這些材料的加工難度，這些硬質顆粒會造成刀具過早磨損和產生大量切削熱。

刀具磨損主要是由硬顆粒的摩擦磨損和酸腐蝕的化學磨損所致。
因此，多數刀具用戶認為，金剛石塗層刀具是加工耐磨的非鐵金屬和非金屬複合材料的理想刀具。

在各種刀具塗層中，用金剛石塗層刀具加工難加工材料能很好地保護切削刃，且無化學磨損。
                   1. 金剛石塗層與其他塗層的對比......................................

金剛石塗層是用化學氣相沉積(CVD)方法沉積在可轉位刀片或旋轉刀具的表面上，CVD方法只適用於整體硬質合金刀具，不適合鉛焊的硬質合金刀片和高速鋼刀具，因為過高的沉積溫度(1400°F)會損壞鉛焊的硬質合金刀片和高速鋼刀具。

用物理氣相沉積(PVD)的金屬氮化物(如TiAlN塗層)的顯微硬度只相當於金剛石塗層的1/3，雖然一些PVD碳塗層稱為"類金剛石塗層"，但它們並不具備金剛石塗層的硬度性能，這些無定形碳塗層的最高顯微硬度僅僅是金剛石塗層的50%。

金剛石塗層的硬質合金刀具的優點是綜合了天然金剛石的硬度和硬質合金的強度及斷裂韌性，所以金剛石塗層完全可用於具有複雜形狀切削刃的旋轉刀具以及具有複雜斷屑槽形的多刃刀具。

金剛石塗層刀具在加工非金屬複合材料和塑膠時，刀具壽命可比不塗層的硬質合金刀具提高10～20倍或更高，而且在加工非鐵金屬和複合材料時提高了材料切除率。對於加工表面光潔度要求高、抗磨粒磨損和抗腐蝕磨損的切削加工，最適宜採用金剛石塗層刀具，而採用未塗層的硬質合金刀具進行加工很難達到上述要求。

金剛石塗層應用於特種刀具的發展趨勢與九十年代PVD塗層應用於加工刀具後顯著提高了切削性能相類似，使刀具品牌上了一個新臺階。然而，設計高性能金剛石塗層刀具需要在塗層供應商和刀具使用者之間進行更多的超前工作，刀具使用者需要向塗層供應商提出自己需要的塗層並參與新型塗層的設計。


2. 決策過程 .......................................................

通常，PVD塗層供應商通過改善PVD塗層來提高刀具壽命，包括發展新的塗層材料或改變現有塗層材料的成分，而刀具用戶在改進PVD塗層方面的作用主要在於反饋關於塗層應用性能和優化刀具幾何參數的資訊。

然而在金剛石塗層領域，塗層供應商在過程開始就直接徵求用戶的建議，用戶根據被加工材料和某特種切削加工工序的要求向塗層供應商提供塗層設計的決策，作為一個工作團隊，塗層供應商和用戶共同決定塗層厚度、晶體尺寸和塗層基體的處理方法。

為了保證在使用中塗層與刀具表面粘結牢固，基體必須作適當的處理(機械與化學處理)，使金剛石塗層牢固地粘結在刀具表面上，通過去除刀具表面的鈷粘結劑，可獲得這種粘結效果。刀具表面的鈷去除之後，留下的顯微孔隙成為金剛石塗層生長的支撐點。

為了獲得充分的粘結，刀具表面需要的預處理量取決於工件材料的耐磨性、塗層厚度和金剛石的晶體尺寸，塗層刀具的性能試驗是檢查粘結好壞的最好方法。



3. 厚塗層和薄塗層的對比...............................

大多數PVD塗層的厚度為1～5μm；金剛石塗層的厚度為3～30μm，它的厚度取決於切削工序和工件材料的耐磨性。

超過10μm厚度的金剛石塗層通常可加工大多數耐磨材料，尤其可加工那些含百分比高的硬顆粒添加劑的耐磨材料，如含Si量>9%的Al，而且較厚的塗層可形成一種圓形的刀刃，防止刀具與硬顆粒接觸時崩刃，其作用好象珩磨，可防止崩刃。

薄的金剛石塗層(3～10μm)的刀刃圓弧較小，薄塗層可以塗在直徑小至0.25mm的旋轉刀具、精加工刀具和加工含磨粒較少的非鐵材料及複合材料的刀具，而PVD塗層刀具不適合加工這些材料。


4. 晶體尺寸..........................................................

傳統的金剛石塗層是由平面形晶體組成，其尺寸為1～5μm。這種多晶結構在加工硬的耐磨材料(如石墨和陶瓷)時極為有效，加工時，這些材料變成粉末。平面形表面的凹凸不平，其作用可視為一種顯微結構粗糙的刀具，它可提高切削效率。然而，在加工樹膠材料時，這種表面也增加了切削負荷，這種被加工材料阻礙切屑流動，其加工表面光潔度很差。

稱作"納米晶體"的金剛石塗層晶體結構是用一種特殊的CVD方法生產的，因為其晶體尺寸僅為0.01～0.2mm(10～200μm)，它可以幫助解決上述這些問題。納米晶體金剛石塗層比由較大的平面形晶體組成的塗層具有較細的顆粒結構，它的光滑表面可以減少切削負荷及減少切屑焊在刀具表面的可能性，因而改善了切屑流動性和加工光潔度。

然而在金剛石塗層領域，塗層供應商在過程開始就直接徵求用戶的建議，用戶根據被加工材料和某特種切削加工工序的要求向塗層供應商提供塗層設計的決策，作為一個工作團隊，塗層供應商和用戶共同決定塗層厚度、晶體尺寸和塗層基體的處理方法。

為了保證在使用中塗層與刀具表面粘結牢固，基體必須作適當的處理(機械與化學處理)，使金剛石塗層牢固地粘結在刀具表面上，通過去除刀具表面的鈷粘結劑，可獲得這種粘結效果。刀具表面的鈷去除之後，留下的顯微孔隙成為金剛石塗層生長的支撐點。

為了獲得充分的粘結，刀具表面需要的預處理量取決於工件材料的耐磨性、塗層厚度和金剛石的晶體尺寸，塗層刀具的性能試驗是檢查粘結好壞的最好方法。



5. 潛在的生產率..........................................................

今後，高性能金剛石塗層刀具的發展取決於塗層供應商和刀具用戶的緊密合作及他們進行刀具設計的能力。在發展新的金剛石塗層刀具中，刀具用戶將在包括塗層設計的決策中做更多的工作；他們必須瞭解塗層厚度、晶體尺寸和表面處理方法的關係及這些因素和切削應用的關係。

例如塗層供應商和用戶，為加工高矽鋁合金和金屬基複合材料，聯合開發一種金剛石塗層鑽頭，在含20%Si增強Al的剎車盤上要鑽69個12.5mm的通孔，鑽完所有孔之後，該鑽頭完好無損，而通常未塗層的鑽頭，鑽完 9 個孔之後即失效。

高性能金剛石塗層刀具在加工上述的先進材料時正力爭達到最好的性能價格比，刀具用戶及最終使用者正學習更多關於如何組合金剛石塗層性能與硬質合金刀具來優化加工效率的知識。

那些首先發現金剛石塗層刀具應用的用戶將有一種基於生產率的競爭優勢，並能及時得到刀具的供應，而且他們將在金剛石塗層新的技術突破中處在較好的位置並可獲得不小的收益。