一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具及其制备方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202410068723.9 | 申请日 | 2024-01-17 | 公开(公告)号 | CN117904594A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 嘉兴沃尔德金刚石工具有限公司; | 发明人 | 王弢; 汪亮; 杨路; 卞雨琦; 王妍; 郑梦想; 张雪; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及金刚石刀具技术领域，具体公开了一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具及其制备方法。本申请提供的用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具包括刀具基体和金刚石涂层；金刚石涂层的表面粗糙度为0.1‑0.3μm；金刚石涂层包括形核层、底层、过渡层和表层；底层的厚度为4‑6μm，粒径为3‑5μm；过渡层的厚度为2‑3μm，粒径为1‑3μm；表层的厚度为1‑2μm，粒径为20‑100nm；本申请还提供了金刚石涂层刀具的制备方法，包括刀具基体预处理、种晶和热丝沉积。本申请的金刚石涂层刀具兼具高 耐磨性 与低表面粗糙度，将其用于航空航天领域叠层材料的加工，能够发挥出良好的加工 精度 与优异的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体和金刚石涂层；所述金刚石涂层的表面粗糙度为0.1‑0.3μm； |
||||||
| 说明书全文 | 一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具及其制备方法技术领域[0001] 本申请涉及金刚石刀具技术领域，具体涉及一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具及其制备方法。 背景技术[0002] 叠层材料是由钛/铝等轻金属材料、碳纤维增强复合材料等复合而成的一种新型材料。碳纤维增强复合材料和金属材料都属于典型难加工材料，两者物理属性相差较大，因此表现出来的切削加工性能差异也较大。例如：碳纤维增强复合材料的硬度高、层间剪切强度低和导热性差，因此其在加工过程中易出现分层、烧糊等现象；而钛/铝等轻金属材料在加工时温度较高，容易出现变形、冷硬及粘刀等问题。 [0003] 目前，市场上用于叠层材料的加工主要是金刚石刀具，其具有高硬度、低粗糙度等特性，可以有效解决碳纤维增强复合材料的分层、烧糊问题；同时，相关研究表明，通过调控金刚石刀具的晶体形态能够实现不同精度的加工要求。例如，堆垛生长的球状或菜花状晶体的金刚石刀具能够满足碳纤维增强复合材料高精度、高光洁度的加工要求；四面体状微米晶体的金刚石刀具能够满足耐磨损的加工要求；然而堆垛生长的球状或菜花状晶体的金刚石刀具的耐磨性稍差，四面体状微米晶体的金刚石刀具的加工光洁度较差。因此，将上述金刚石刀具用于叠层材料精密加工时，无法同时兼顾加工精度和刀具寿命的需求，导致金刚石刀具的应用严重受限。 [0004] 综上所述，急需开发一种能够同时兼顾加工精度和刀具寿命需求的金刚石刀具，来解决碳纤维/金属叠层材料的加工问题。发明内容 [0005] 为了解决当前叠层材料产业化生产过程中，叠层材料的加工精度与刀具寿命难以同时满足的问题，本申请提供一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具及其制备方法。 [0006] 第一方面，本申请提供的用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具，采用如下的技术方案：一种用于加工叠层材料的金刚石涂层刀具，包括刀具基体和金刚石涂层；所述金 刚石涂层的表面粗糙度为0.1‑0.3μm； 所述金刚石涂层包括形核层、底层、过渡层和表层；所述底层的厚度为4‑6μm，粒径为3‑5μm；所述过渡层的厚度为2‑3μm，粒径为1‑3μm；所述表层的厚度为1‑2μm，粒径为20‑ 100nm。 [0007] 本申请提供一种金刚石涂层刀具，该金刚石涂层刀具是由刀具基体和沉积在刀具基体表面的金刚石涂层构成，本申请通过将金刚石涂层中的金刚石晶体排布与晶粒大小控制在上述条件下，获得的金刚石涂层刀具能够兼具高耐磨性和低表面粗糙度的特点，因此制成的金刚石涂层刀具具备优异的加工精度和使用寿命，将其用于航空航天领域叠层材料的加工，能够完全满足叠层材料的加工需求。 [0008] 本申请中，形核层能够填充刀具基体表面的坑洼缺陷，使刀具基体表面均匀平整；底层能够增加金刚石涂层在刀具基体表面的附着力；过渡层是作为缓冲层，提高金刚石涂层刀具的抗冲击性；细化层是为了进一步填充过渡层表面残余的微观缺陷，进一步降低金刚石涂层的表面粗糙度。 [0009] 可选地，所述刀具基体满足：轮廓算术平均偏差Ra≤0.1μm、轮廓最大高度Rz≤1μm、轮廓单元的平均宽度RSm≤0.05μm、刃口微观锯齿＜1μm。 [0010] 本申请通过量化控制刀具原始粗糙度和刃口形态，能够为后续化学沉积提供优异的沉积条件，进而提高金刚石涂层刀具的加工精度，保证金刚石涂层刀具在产生化生产中的可重复性与稳定性。 [0011] 第二方面，本申请提供一种金刚石涂层刀具的制备方法。 [0012] 一种金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：刀具基体预处理、种晶和热丝沉积；所述热丝沉积包括表面形核、底层沉积、过渡层沉积和表层沉积；所述过渡层沉积步骤中，甲烷的体积流量为5～15sccm，氢气的体积流量为500～ 1000sccm，氮气的体积流量为1000～2000sccm； 所述表层沉积步骤中，甲烷的体积流量为40～60sccm，氢气的体积流量为500～ 1000sccm，氮气的体积流量为500～1000sccm； 所述过渡层沉积与表层沉积的过程中，刀具基体与热丝之间设置有20‑80V的偏 压，所述刀具基体所在基座接地为负极。 [0013] 本申请提供了一种金刚石涂层刀具的制备方法，该制备方法采用了负偏压+高氮气低碳浓度热丝沉积工艺。其中，通过在电极和刀具之间形成一定大小的负偏压，能够促进解离后的碳源基团向刀具基体移动，提高成核率，使得沉积的金刚石颗粒晶向更加统一，具有更好的抗冲击性和耐磨性，进而提高刀具的使用寿命。高氮气的气氛可以有效均衡碳源粒子热解离后的等离子团的分布，增加碳源粒子的碰撞降低单簇金刚石的能量，使得生长的金刚石颗粒更加平整和紧密，同时在不改变晶体形态的情况下降低金刚石颗粒的尺寸，使得金刚石涂层同时具有高耐磨和低粗糙度的特性。并且高氮气低碳浓度的气氛下的沉积速率较低，能够减小沉积过程中的晶体间的应力，提高金刚石涂层的抗冲击性。此外，低碳浓度的气氛还能避免传统高碳浓度低压沉积金刚石涂层时出现的沉积速率过快导致的沉积缺陷多、涂层尺寸难以精确控制的问题。因此，本申请提供的金刚石涂层刀具的制备方法能够显著提高金刚石涂层刀具的抗冲击性和耐磨性，进而提高金刚石涂层刀具的使用寿命。 [0014] 在一些实施方案中，所述刀具基体与热丝之间的偏压可以为20‑40V、20‑50V、20‑60V、40‑50V、40‑60V、40‑80V、50‑60V、50‑80V或60‑80V。 [0015] 在一个具体的实施方案中，所述刀具基体与热丝之间的偏压还可以为20V、40V、50V、60V或80V。 [0016] 在一些实施方案中，所述过渡层沉积步骤中，氮气的体积流量可以为1000～1500sccm或1500～2000sccm。 [0017] 在一个具体的实施方案中，所述过渡层沉积步骤中，氮气的体积流量可以为1000sccm、1500sccm或2000sccm。 [0018] 在一些实施方案中，所述表层沉积步骤中，氮气的体积流量可以为500～800sccm或800～1000sccm。 [0019] 在一个具体的实施方案中，所述表层沉积步骤中，氮气的体积流量可以为500sccm、800sccm或1000sccm。 [0020] 可选地，所述表面形核步骤中，甲烷的体积流量为10～50sccm，氢气的体积流量为500～1000sccm，氮气的体积流量为500～1000sccm； 所述底层沉积步骤中，甲烷的体积流量为10～20sccm，氢气的体积流量为500～ 1000sccm。 [0021] 可选地，所述种晶步骤具体为：将预处理后的刀具基体依次在植晶溶液I、植晶溶液II中超声振荡，时间均为10‑30min；植晶溶液I中，金刚石微粉的粒径为2‑5μm、含量为0.1‑2g/100mL； 植晶溶液II中，金刚石微粉的粒径为0.1‑0.5μm、含量为0.1‑2g/100mL。 [0023] 本申请的种晶步骤中，首先采用含有较大尺寸金刚石微粉的植晶溶液I对刀具基体进行种晶，使较大尺寸的金刚石微粉沉积在刀具表面，为后续金刚石晶体生长提供位点；然后采用含有较小尺寸金刚石微粉的植晶溶液II进行种晶，进一步提高生长位点的均匀性、平整性与致密度，使金刚石晶体生长地更加均匀、致密，从而保证获得的金刚石涂层粗糙度更低、耐磨性更好。 [0024] 可选地，所述表面形核步骤中，反应压力为1000～2000Pa，沉积时间为0.5～1h；所述底层沉积步骤中，反应压力为3500～4500Pa，沉积时间为5～8h；所述过渡层沉积步骤中，反应压力为1500～2500Pa，沉积时间为4～6h；所述表层沉积步骤中，反应压力为500～1000Pa，沉积时间为2～4h。 [0025] 可选地，所述热丝的材质为钨、钽、铼中的一种或几种，热丝排布方式为横丝排布，热丝直径为0.5～1mm，热丝间距为20～50mm。 [0027] 本申请中，首先以软磨料为介质混合金刚石微粉以定向喷射的气流为媒介对合金刀具进行表面冲击，使得刀具基体产生刃口微钝化效果；然后使用硬磨料和细化金刚石颗粒作为混合磨料，将刀具刃部完全插入混合磨料中使得刀具和磨料相互摩擦；最后通过混合酸溶液处理刀具表面，使硬质合金刀具表面的钴含量降低至0.2‑0.5质量％。 [0028] 可选地，所述软磨料为软橡胶颗粒，粒径为0.5‑1.5μm；所述金刚石微粉规格为1000～10000目；所述硬磨料为经破碎的核桃壳或橄榄壳，破碎后粒径范围为1.5～2mm；所述细化金刚石颗粒的规格为2000‑6000目；所述混合酸溶液为体积比为3：(9‑12)的盐酸与双氧水。 [0029] 本申请中，通过微钝化能够使刀具基体的刃口位置产生微小的圆弧，该圆弧能够消除刀具磨削无法避免产生的刃口轻微锯齿，从而减少刀具在切削过程中的应力集中，提高刀具强度和使用寿命。表面粗化处理能够代替传统碱腐蚀处理，从而能在刀具表面产生均匀的微米量级的划痕，有助于改善金刚石颗粒初期生长的均匀性和统一性，提高沉积过程中的表面形核率，避免产生疏松层，进而提高金刚石涂层刀具的加工性能和使用寿命。去钴处理能够去除刀具基体表面的Co，降低刀具基体在沉积过程中Co向表面扩散造成的金刚石向石墨相转变，提高金刚石涂层和刀具基体之间的结合力，避免涂层脱落。 [0030] 综上所述，本申请具有以下有益效果：1.本申请通过在刀具基体表面沉积一层金刚石涂层，从而制备出一种兼具高耐磨 性与低表面粗糙度的金刚石涂层刀具，利用该金刚石涂层刀具加工叠层材料，能够避免碳纤维增强复合材料出现分层、烧糊的问题，减少钛合金的烧伤、沾刀现象，并且还能减少刀具的更换次数和机床的停机时间，提交加工效率与经济效益。 [0031] 2.本申请通过量化控制刀具原始粗糙度和刃口形态，为后续化学沉积提供优异的沉积条件，进而提高金刚石涂层刀具的加工精度，保证金刚石涂层刀具在产生化生产中的可重复性与稳定性。 [0032] 3.本申请提供的金刚石涂层刀具的制备方法中，通过采用负偏压的沉积工艺，使得刀具基体表面沉积的金刚石颗粒晶向更加统一，金刚石涂层刀具的抗冲击性和耐磨性更好，使用寿命更长。 [0033] 4.本申请提供的金刚石涂层刀具的制备方法中，通过采用高氮气低碳浓度热丝沉积工艺，能够使生长的金刚石颗粒更加平整和紧密，制得的金刚石涂层刀具具有更高高耐磨性和更低的表面粗糙度，从而显著提高刀具的使用寿命。 [0034] 5.本申请的刀具基体预处理步骤采用了刃口微钝化+表面粗化+去钴处理的工艺，与相关技术中的酸碱处理相比，不会对刀具原始的强度和刚性造成影响、表面粗化更均匀、且避免了有毒和高污染性废液的产生。因此，本申请提供金刚石涂层刀具的制备方法能够实现稳定的产业化生产。附图说明 [0035] 图1是实施例3提供的金刚石涂层刀具在3000倍的SEM图；图2是对比例1提供的金刚石涂层刀具在3000倍的SEM图； 图3是对比例5提供的金刚石涂层刀具在3000倍的SEM图； 图4是实施例3提供的金刚石涂层刀具的拉曼光谱图； 图5是对比例1提供的金刚石涂层刀具的拉曼光谱图。 具体实施方式[0036] 本申请提供一种金刚石涂层刀具，所述金刚石涂层刀具包括刀具基体和金刚石涂层；所述金刚石涂层的表面粗糙度为0.1‑0.3μm；所述金刚石涂层包括形核层、底层、过渡层和表层；所述底层的厚度为4‑6μm，粒径为3‑5μm；所述过渡层的厚度为2‑3μm，粒径为1‑3μm；所述表层的厚度为1‑2μm，粒径为20‑100nm。刀具基体满足：轮廓算术平均偏差Ra≤0.1μm、轮廓最大高度Rz≤1μm、轮廓单元的平均宽度RSm≤0.05μm、刃口微观锯齿＜1μm。 [0037] 上述金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)刀具基体预处理： (1‑1)制备硬质合金刀具基体，并在100倍光学显微镜下检测其表面粗糙度和刃口状态，保证其满足以下要求：轮廓算术平均偏差Ra≤0.1μm、轮廓最大高度Rz≤1μm、轮廓单元的平均宽度RSm≤0.05μm、刃口微观锯齿＜1μm。 [0038] (1‑2)刃口微钝化：首先利用夹具将硬质合金刀具基体竖直方向夹持并固定在刀具盘上，选择喷嘴口径为10‑30mm，调整喷嘴和刀具轴向方向夹角为30～45°，喷嘴和刀具轴线距离为30～80mm；设置喷砂压力为0.1～0.4MPa，设置喷嘴上下移动位置使得可以完全包含刀具刃部；启动喷砂设备，将颗粒度为0.1‑1.5μm软橡胶颗粒与1000‑10000目的金刚石微粉的混合物作为介质，经压缩空气管道被吸入并从喷嘴处喷向旋转的刀具表面，喷砂时间为2～10min。 [0039] (1‑3)表面粗化：利用乙醇擦拭喷砂处理后的硬质合金铣刀表面，然后将硬质合金铣刀夹持在刀具盘并使得刀具端部朝下放置，降低刀具位置使得刃部完全处于粒径为1.5‑2mm的硬磨料(破碎的核桃壳或橄榄壳)与2000‑6000目的细化金刚石颗粒的混合磨料中，启动粗化设备控制带动刀具旋转的电机，设置刀具和磨料相对转速为30～50r/min，处理时间为5～30min；随后取出刀具在丙酮溶液中超声清洗，取出烘干。 [0040] (1‑4)去钴处理：将硬磨料粗化处理后的硬质合金刀具置于体积比为3：(9‑12)的盐酸与双氧水的混合酸溶液中侵蚀2‑5min，使硬质合金刀具表面的钴质量含量为0.2‑0.5％；之后将刀具取出在无水乙醇和丙酮中分别清洗后取出烘干。 [0041] (2)种晶：将去钴处理获得的硬质合金刀具浸润在植晶溶液I中，超声震荡10‑30min；然后浸润在植晶溶液II中，超声震荡10‑30min；植晶溶液I中，金刚石微粉的粒径为 2‑5μm、含量为0.1‑2g/100mL；植晶溶液II中，金刚石微粉的粒径为0.1‑0.5μm、含量为0.1‑ 2g/100mL。 [0042] (3)热丝沉积：将种晶后的硬质合金刀具放入HFCVD设备腔内，(3‑1)表面形核：向HFCVD设备中通入甲烷、氢气和氮气；其中，甲烷的体积流量为 10～50sccm，氢气的体积流量为500～1000sccm，氮气的体积流量为500～1000sccm，反应压力为1000～2000Pa，表面形核0.5～1h； (3‑2)底层沉积：接着向HFCVD设备中通入甲烷、氢气；其中，甲烷的体积流量为10～20sccm，氢气的体积流量为500～1000sccm，反应压力为3500～4500Pa，沉积时间为5～ 8h；(3‑3)过渡层沉积：再向HFCVD设备中通入甲烷、氢气和氮气；其中，甲烷的体积流量为5～15sccm，氢气的体积流量为500～1000sccm，氮气的体积流量为1000～2000sccm，反应压力为1500～2500Pa，沉积时间为4～6h； (3‑4)表层沉积：调整甲烷的体积流量为40～60sccm，氢气的体积流量为500～ 1000sccm，氮气的体积流量为500～1000sccm，反应压力为500～1000Pa，沉积时间为2～4h； 沉积结束，获得金刚石涂层刀具。 [0043] 在上述(3‑3)～(3‑4)的过程中，刀具基体与热丝之间设置有20‑80V的偏压，所述刀具基体所在基座接地为负极。 [0044] 本申请中，原料、试剂、溶剂等均可通过商购获得。 [0045] 以下结合实施例、性能检测试验及附图说明对本申请作进一步详细说明。 [0046] 实施例1实施例1提供一种金刚石涂层刀具。 [0047] 上述金刚石涂层刀具中，底层的厚度为4μm，金刚石颗粒的粒径为3‑4μm；所述过渡层的厚度为3μm，金刚石颗粒的粒径为1‑2μm；所述表层的厚度为3μm，金刚石颗粒的粒径为20‑50nm。 [0048] 上述金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：(1)刀具基体预处理： (1‑1)制备硬质合金刀具基体(圆柄硬质合金铣刀，材质为K05，规格为刃径4mm，刃长20mm，总长60mm，柄径6mm)，并在100倍光学显微镜下检测其表面粗糙度和刃口状态，其轮廓算术平均偏差Ra为0.06μm、轮廓最大高度Rz为0.8μm、轮廓单元的平均宽度RSm为0.04μm、刃口微观锯齿＜1μm。 [0049] (1‑2)刃口微钝化：首先利用夹具将硬质合金刀具基体竖直方向夹持并固定在刀具盘上，选择喷嘴口径为20mm，调整喷嘴和刀具轴向方向夹角为40°，喷嘴和刀具轴线距离为50mm；设置喷砂压力为0.2MPa，设置喷嘴上下移动位置使得可以完全包含刀具刃部；启动喷砂设备，将颗粒度为0.5μm软橡胶颗粒与5000目的金刚石微粉的混合物作为介质，经压缩空气管道被吸入并从喷嘴处喷向旋转的刀具表面，喷砂时间为5min。 [0050] (1‑3)表面粗化：利用乙醇擦拭喷砂处理后的硬质合金铣刀表面，然后将硬质合金铣刀夹持在刀具盘并使得刀具端部朝下放置，降低刀具位置使得刃部完全处于粒径为1.5～2mm的核桃壳与核桃壳与3000目的细化金刚石颗粒的混合磨料中，启动粗化设备控制带动刀具旋转的电机，设置刀具和磨料相对转速为45r/min，处理时间为10min；随后取出刀具在丙酮溶液中超声清洗，取出烘干。 [0051] (1‑4)去钴处理：将硬磨料粗化处理后的硬质合金刀具置于体积比为3：10的盐酸与双氧水的混合酸溶液中侵蚀2min，硬质合金刀具表面的钴质量含量为0.4％；之后将刀具取出在无水乙醇和丙酮中分别清洗后取出烘干。 [0052] (2)种晶：将去钴处理获得的硬质合金刀具浸润在植晶溶液I(含有1g/100mL、3μm金刚石微粉的丙酮溶液)中，超声震荡20min；然后浸润在植晶溶液II(含有1g/100mL、0.3μm金刚石微粉的丙酮溶液)中，超声震荡20min。 [0053] (3)热丝沉积：将种晶后的硬质合金刀具放入HFCVD设备腔内，(3‑1)表面形核：向HFCVD设备中通入甲烷、氢气和氮气；其中，甲烷的体积流量为 30sccm，氢气的体积流量为1000sccm，氮气的体积流量为1000sccm，反应压力为2000Pa，表面形核0.5h； (3‑2)底层沉积：接着向HFCVD设备中通入甲烷、氢气；其中，甲烷的体积流量为 20sccm，氢气的体积流量为1000sccm，反应压力为4000Pa，沉积时间为6h； (3‑3)过渡层沉积：再向HFCVD设备中通入甲烷、氢气和氮气；其中，甲烷的体积流量为5sccm，氢气的体积流量为500sccm，氮气的体积流量为2000sccm，反应压力为2000Pa，沉积时间为5h； (3‑4)表层沉积：调整甲烷的体积流量为50sccm，氢气的体积流量为500sccm，氮气的体积流量为1000sccm，反应压力为1000Pa，沉积时间为3h；沉积结束，获得金刚石涂层刀具。 [0054] 在上述(3‑3)～(3‑4)的过程中，刀具基体与热丝之间设置有20V的偏压，所述刀具基体所在基座接地为负极。 [0055] 实施例2‑5实施例2‑5分别提供一种金刚石涂层刀具。 [0056] 上述实施例与实施例1的不同之处在于：金刚石涂层刀具制备方法中刀具基体与热丝之间的偏压，具体如下表1所示。 [0057] 表1实施例1‑5提供的金刚石涂层刀具制备方法中刀具基体与热丝之间的偏压实施例 刀具基体与热丝之间的偏压/V1 20 2 40 3 50 4 60 5 80 实施例6‑9 实施例6‑9分别提供一种金刚石涂层刀具。 [0058] 上述实施例与实施例3的不同之处在于：过渡层沉积与表层沉积步骤中氮气的体积流量，具体如下表2所示。 [0059] 表2实施例3、实施例6‑9的过渡层沉积与表层沉积步骤中氮气的体积流量实施例10实施例10提供一种金刚石涂层刀具。 [0060] 上述实施例与实施例3的不同之处在于：种晶步骤，实施例10的种晶步骤如下：(2)种晶：将预处理后的硬质合金刀具浸润在含有1g/100mL、3μm金刚石粉末的丙酮溶液中，超声震荡20min。 [0061] 对比例1对比例1提供一种金刚石涂层刀具。 [0062] 上述对比例与实施例1的不同之处在于：金刚石涂层刀具制备方法中刀具基体与热丝之间的偏压为0。 [0063] 对比例2对比例2提供一种金刚石涂层刀具。 [0064] 上述对比例与实施例1的不同之处在于：金刚石涂层刀具制备方法中刀具基体与热丝之间的偏压为100V。 [0065] 对比例3对比例3提供一种金刚石涂层刀具。 [0066] 上述对比例与实施例1的不同之处在于：过渡层沉积步骤中氮气的体积流量为0。 [0067] 对比例4对比例4提供一种金刚石涂层刀具。 [0068] 上述对比例与实施例1的不同之处在于：表层沉积步骤中氮气的体积流量为0。 [0069] 对比例5对比例5提供一种金刚石涂层刀具。 [0070] 上述对比例与实施例1的不同之处在于：该金刚石涂层刀具的金刚石涂层仅包括形核层、底层和过渡层。 [0071] 表面性能检测对实施例3获得的金刚石涂层刀具的金刚石涂层表面性能进行检测，结果如下表3 所示。 [0072] (1)SEM检测：采用EM科特(EmCrafts)CUBE‑ⅡPlus电镜能谱一体机检测实施例3、对比例1、对比例5获得的金刚石涂层刀具，实施例3的3000倍SEM图如图1所示、对比例1的3000倍SEM图如图2所示、对比例5的3000倍SEM图如图3所示。 [0073] 由图1可以看出，实施例3的金刚石涂层表面的晶粒取向性很明显且相对统一，均为细颗粒度的111晶面，并且表面致密、无明显孔隙、且具有很好的连续性和致密性；由此可知，上述金刚石涂层具有很好的耐磨性、附着力及抗冲击性。 [0074] 由图2可知，对比例1的金刚石涂层表面的晶相取向不统一，并且晶粒相差较大。 [0075] 由图3可知，对比例5的金刚石涂层表面的晶相取向较统一，但是晶粒仍然相差较大。 [0076] (2)拉曼光谱：将实施例3、对比例1获得的金刚石涂层刀具进行拉曼光谱检测，实施例3的结果如图4所示，对比例1的结果如图5所示。 [0077] 由图4可知，图中有一个高强度的金刚石峰和一个低强度的纳米峰，说明本申请实施例3的金刚石涂层的颗粒较小，具有部分石墨结构。石墨结构能够提高涂层的润滑性，进而降低金刚石刀具的的表面粗糙度以及加工时的切削热，有利于获得光洁的加工表面。 [0078] 由图5可知，图中仅有一个高强度的金刚石峰，说明对比例1的金刚石涂层的纯度较高，均为金刚石颗粒。 [0079] 使用性能检测对实施例1‑10、对比例1‑5获得的金刚石涂层刀具的使用性能进行检测，结果如下表3所示。 [0080] (1)表面粗糙度：采用KLA的纳米级光学轮廓仪对金刚石涂层刀具的表面进行检测，获取表面粗糙度。 [0081] (2)加工磨损量测试：对金刚石涂层刀具进行加工性能测试，测试机床型号为DMU70V，加工参数为ae＝3mm，ap＝10mm，转速为4800r/min，进给为1600mm/min；加工材料为叠层材料，连续切削45m；然后采用基恩士的刀具三维轮廓测量仪检查刃口磨损量。 [0082] 叠层材料是由1层T800碳纤维复合材料(厚度10mm)和1层Ti6Al4V钛合金(厚度4mm)组成。 [0083] (3)使用寿命检测：参照(1)加工测试中的测试条件，采用金刚石涂层刀具对叠层材料进行连续切削，测试该金刚石涂层刀具能够连续切割叠层材料的长度。 [0084] (4)加工效果：参照加工测试中的测试条件，采用金刚石涂层刀具对叠层材料连续切削10m，观察叠层材料中T800碳纤维纤维层边界有无毛刺、层间有无分层，连续加工有无烧糊；观察钛合金层有无烧伤痕迹、切削是否顺畅、有无沾刀现象。 [0085] 表3实施例1‑10、对比例1‑5获得的铣刀的使用性能检测结果根据表3的检测结果可知，本申请实施例1‑10获得的金刚石涂层刀具的表面粗糙 度为0.1‑0.3μm，切割叠层材料45m后的磨损量仅为0.148‑0.228mm、且叠层材料未出现毛刺、分层、烧糊等问题，钛合金层无烧伤、沾刀现象；利用上述金刚石涂层刀具切割叠层材料的使用寿命长达60‑95m。而对比例5的金刚石涂层刀具的表面粗糙度高达0.66μm，仅能切割叠层材料18m、且切割后的叠层材料出现了明显的毛刺与分层。因此，说明本申请提供的制备方法能够制备出表面粗糙度和耐磨性优异的金刚石涂层刀具，利用其加工叠层材料，能够避免叠层材料毛刺、分层、烧糊等问题，并且还能实现较长的使用寿命。 [0086] 实施例1‑5、对比例1‑2的检测结果可知，实施例1‑5获得的金刚石涂层刀具的表面粗糙度、加工精度与使用寿命明显优于对比例1‑2。说明本申请提供的金刚石涂层刀具的制备方法中，通过在刀具基体与热丝之间设置有20‑80V的偏压，能够改善金刚石颗粒晶向的统一性，使得金刚石涂层刀具的抗冲击性、耐磨性显著改善，进而使金刚石涂层刀具的使用寿命大大延长。 [0087] 实施例3、实施例6‑9、对比例3‑4的检测结果可知，实施例1、实施例6‑9获得的金刚石涂层刀具的表面粗糙度、加工精度与使用寿命明显优于对比例3‑4。说明本申请提供的金刚石涂层刀具的制备方法中，采用高氮气低碳浓度的气氛沉积工艺，能够提高金刚石涂层的耐磨性、降低表面粗糙度，进而延长金刚石涂层刀具的使用寿命。 [0088] 实施例3、实施例10的检测结果可知，实施例10仅采用1种植晶溶液进行植晶，获得的金刚石涂层刀具的表面粗糙度为0.17μm，切割叠层材料45m后的磨损量为0.228mm，而实施例3依次采用两种植晶溶液进行处理，获得的金刚石涂层刀具的表面粗糙度仅为0.11μm，切割叠层材料45m后的磨损量为0.14mm。因此，说明本申请采用两种植晶溶液进行种晶，能够保证刀具基体表面种晶的均匀性，从而降低沉积的金刚石涂层的表面粗糙度，提高金刚石涂层的耐磨性，延长金刚石涂层刀具的使用寿命。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈