[发明专利]一种超细纳米晶金刚石精密刀具及其制造方法

说明书

本发明公开了一种超细纳米晶金刚石精密刀具及其制造方法。本发明的刀具包括刀柄和金刚石刀，其中金刚石刀由自支撑超细纳米晶金刚石厚膜制成，该厚膜的厚度为100‑3000微米，其中1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。本发明采用化学气相沉积的方法，在硅基板上生长超细纳米晶金刚石，然后将硅基板与金刚石分离，获得自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，经激光切割，焊接至刀体上，再经开刃、粗磨、精磨，获得超细纳米晶金刚石精密刀具。

技术领域

本发明涉及一种超细纳米晶金刚石精密刀具及其制造方法，属于金刚石精密刀具制造领域。

背景技术

由于特殊的晶体结构和成键形式，金刚石具有高硬度、耐磨耐腐蚀、高熔点、极佳的物理化学稳定性等众多优异性能。金刚石精密刀具在有色金属、高硬度非金属等难加工材料领域具有广泛的应用，可以直接加工出超光滑的加工表面。

目前，常见的金刚石精密刀具有两种，分别是单晶金刚石刀具和多晶金刚石刀具。单晶金刚石刀具是理想的精密加工刀具，它具有很高的硬度和强度、导热系数高、耐磨损，并且与有色金属、非金属之间的摩擦系数低、抗黏结性能好。但是单晶金刚石具有各向异性的缺点，其中(110)面强度最高、耐磨损性能最好。从微观强度、耐磨性和摩擦系数方面考虑，(110)面最适合最为加工刀具的前、后刀面。由于(110)面具有很高的强度和耐磨损性能，刀具制造过程中的刃磨也非常困难，因此实际应用中常选用加工性能较好且刃磨相对容易的(100)面作为前、后刀面。选择正确的晶面来制造金刚石刀具的过程，也需要经验丰富的操作人员和专业设备，增加单晶金刚石刀具制造的工序。另外，在单晶金刚石刀具切削过程中，当(111)面上剪切应力超过特定的临界应力时，相邻的两个(111)面会发生解理劈开，造成单晶金刚石崩裂失效。综上所述，单晶金刚石的各向异性限制了它发挥最大的切削性能和使用性能。多晶金刚石为各向同性，可以避免由于各向异性产生的问题。但是多晶金刚石的硬度和耐磨性不如单晶金刚石，而且多晶金刚石晶粒较大，很难刃磨出超光滑的刀面和锋利的切削刃。多晶金刚石刀具在切削过程中，如果切削力过大，会发生晶粒脱落，使刀具失效。因此，多晶金刚石在金刚石精密刀具制造中也存在许多缺陷。

因此，开发一种新型的金刚石材料来制造金刚石精密刀具，避免单晶金刚石和多晶金刚石的缺点，对提高金刚石精密刀具的使用性能至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超细纳米晶金刚石精密刀具。

本发明的第一方面，提供一种超细纳米晶金刚石刀具，所述刀具包括刀柄和金刚石刀，其中金刚石刀由自支撑超细纳米晶金刚石厚膜制成，其中所述厚膜的厚度为100-3000微米，其中1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。

在另一优选例中，所述厚膜的直径为50-100毫米。

在另一优选例中，所述厚膜表面光滑。

在另一优选例中，所述厚膜中，2纳米≤金刚石晶粒尺寸≤16纳米。

在另一优选例中，所述厚膜的厚度为200-1000微米。

本发明的金刚石精密刀具由超细纳米晶金刚石厚膜加工而成。由于超细纳米晶金刚石各向同性，在刀具加工时，无需选择特定晶面来刃磨，降低了加工难度。相对于普通的多晶金刚石，超细纳米晶的晶粒尺寸达到20纳米以下，可以加工出非常锋利的切削刃。此外，超细纳米晶金刚石不仅具有很高的硬度，还具有很强的韧性，使用过程中不容易发生崩刃。

本发明的第二方面，提供第一方面所述的超细纳米晶金刚石刀具的制备方法，通过直流热阴极辉光放电化学气相沉积和热丝化学气相沉积两步来完成超细纳米晶金刚石厚膜沉积，再加工成刀具。

本发明的所述制备方法包括以下步骤：

(i)通过直流热阴极辉光放电化学气相沉积，在硅片表面生长5～200微米厚的超细纳米晶金刚石层；