[发明专利]复杂形状金刚石涂层刀具热丝化学气相沉积批量制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的方法，具体是一种复杂形状金刚石涂层刀具热丝化学气相沉积批量制备方法。

背景技术

随着工件材料向着轻量化、复合化方向发展，高硅铝(铅)合金、金属(陶瓷)基复合材料、陶瓷、碳和石墨复合材料、其他纤维增强复合材料、强化木地板等难加工材料在汽车、航空航天和模具等行业中大量使用。以WC-Co类硬质合金材料为主的整体式旋转刀具如麻花钻、立铣刀等复杂形状刀具使用量大面广，而这些刀具在高速切削加工上述难加工材料时刀具磨损严重，加工精度及表面质量难以保证。

化学气相沉积(简称CVD法，Chemical Vapor Deposition)金刚石薄膜具有十分接近天然金刚石的高硬度、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，从而使其在复杂形状刀具涂层领域具有广阔的应用前景。近年来，CVD金刚石涂层技术的发展使得高性能复杂形状金刚石涂层刀具的制备成为可能，CVD金刚石薄膜涂层刀具制备成本降低、效率提高、适宜于任意形状，其制备不受衬底形状的制约。因此，一种新方法就是在复杂形状硬质合金刀具工作表面涂覆金刚石薄膜，用以延长刀具的寿命、提高生产效率并改善加工的质量，将金刚石涂层与复杂形状刀具几何结构组合起来，必将为非铁难加工材料提供最有效的加工解决方案，CVD金刚石薄膜复杂形状涂层刀具最有希望成为新一代应用于石墨、碳纤维或玻璃纤维以及铝硅合金等高效加工的新型刀具。

金刚石涂层刀具，特别是涂层钻头和铣刀目前国内外正在产业化过程中，在用化学气相法对钻头或铣刀的刀刃部分进行沉积涂层时，刀刃(衬底)的表面温度及均匀性对涂层质量有着很大的影响。金刚石涂层时的衬底温度通常在750～950℃范围内，若刀刃(衬底)表面温度高，涂层沉积速度快，但涂层内应力高，导致附着力降低。反之，刀刃(衬底)的表面温度低，涂层沉积速度慢，但涂层附着力较好。因此，能沉积品质优良、附着力好的金刚石涂层的温度范围是比较窄的。而且钻头和铣刀都是细长轴，导热不良，这给热丝CVD沉积金刚石涂层带来了困难。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号200310108306.0记载了一种“整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置”，该文献公开了一种能带动装夹有刀具的旋转轴回转的整体式硬质合金刀具金刚石涂层装置，但上述技术特制的专用沉积装置只是单个整体式硬质合金复杂形状刀具金刚石涂层的实验设备，不适宜作为CVD金刚石涂层复杂形状硬质合金刀具批量制备装置。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种复杂形状金刚石涂层刀具热丝化学气相沉积批量制备方法，能够有效降低刀刃处衬底表面温度，但不降低沉积速率，同时又能提高金刚石涂层质量。为实现这样的目的，关键技术是如何采用冷却装置，并热丝布置相配合，有效降低刀刃处的沉积温度，同时又能增加活性H原子的浓度，使金刚石涂层的品质和沉积速率都有所提高。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、将预处理后的复杂形状硬质合金刀具的刀柄插入刀具冷却底座，将安装好刀具的三明治式底座放在热丝CVD设备水冷工作台上；

所述的刀具冷却底座由矩形钼片、紫铜板和石墨板依次叠加构成三明治式结构，该刀具冷却底座上设有与刀柄直径和长度相匹配的钻孔。

所述的矩形钼片厚度范围为：0.2-2mm；

所述的紫铜板厚度范围为：20-60mm；

所述的石墨板厚度范围为：30-80mm；

所述的刀柄的直径φ1～16mm，所述的硬质合金刀具的整体长度50-180mm，刃长15-50mm。

第二步、采用上下两行热丝且上行热丝高度与所述硬质合金刀具的刀尖相同，下行热丝的高度正对刀具的刀刃底部，通入氢气和丙酮并在复杂形状硬质合金刀具表面沉积金刚石涂层。

所述的沉积共分两次，其中：采用的钽丝直径φ0.3-1.2mm，热丝的列数为2-8列，沉积的成核气压为12Torr，生长气压为25Torr，丙酮浓度为1-3％，第一次沉积后将刀具旋转90度后进行第二次沉积，每次沉积时间分别为2-5小时，厚度控制在3μm-10μm。

附图说明

图1为实施例热丝布置示意图。

图2为实施例刀具冷却底座示意图。

图3为实施例热丝布置示意图；

图中：(a)、(b)为现有技术布置方式，(c)为实施例布置方式。

图4为实施例沉积涂层厚度分布曲线。

具体实施方式