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CVD金刚石厚膜焊接刀具的实验研讨

来源:http://www.kumeiti.cn 编辑:利来w66 时间:2018/03/28

  


 

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1.灯丝电源 2.直流电源 3.热灯丝 4.基体 5.样品台 6.进气口 7.排气口 8.反响腔
图1 EACVD金刚石堆积设备

  

1 导言

金刚石具有硬度高、耐磨性好、热导率大、摩擦系数和热膨胀系数小、化学慵懒强等优秀特性,是制作切削刀具的抱负资料。近十年来,国内外已先后开宣布可用于有色金属、电极石墨、陶瓷、复合资料等精细加工的CVD金刚石厚膜焊接刀具,根本完成了CVD金刚石刀具的商品化开发作业。
现在运用较多的CVD金刚石厚膜焊接刀具制作工艺流程为:大尺度金刚石厚膜制备→激光切开刀头→在真空或维护性气氛中钎焊刀头与刀架→刀具刃磨。其间的要害工序为刀头与刀架的焊接。因为金刚石与低熔点金属及其合金之间具有很高的界面能,因而金刚石很难被一般的低熔点焊料合金所滋润,可焊性极差。因为CVD金刚石为纯晶质的多晶金刚石资料,因而相同存在这一问题。虽然经过选用含钛的银铜合金焊料在慵懒维护气氛或真空中进行焊接可进步焊接强度,但该办法不只本钱较高,且焊接出的刀具在刃磨进程中经常出现刀头掉落现象,影响成品率。因而有必要研讨开发更简洁、更牢靠、本钱更低的金刚石焊接工艺办法。本文对此进行了实验研讨。

2 实验办法

本实验拟选用新的工艺计划来制作CVD金刚石厚膜焊接车刀,工艺流程为:大尺度金刚石厚膜制备→激光切开刀头→刀头外表金属化(化学气相堆积W膜)→在大气中钎焊金属化刀头与刀架→刀具刃磨。
选用自行研发的电子辅佐化学气相堆积(EACVD)设备(见图1)在Ø100mm 的Si基片上制备0.8~1.0mm 厚的大尺度金刚石厚膜,堆积工艺条件见表1。
表1 CVD金刚石堆积工艺条件
基片资料 反响压力
(t)
H2流量
(sccm)
CH4流量
(sccm)
O2
流量
(sccm)
基片温度
(℃)
灯丝温度
(℃)
灯丝与基片间隔
(mm)
基片直流电流密度
(mA/cm2)
Si、Mo 50~70 400~800 40~80 15~30 800~1000 ~2300 8~10 200~1000
  1. 制备CVD金刚石厚膜
  2. 切开金刚石刀头
用激光精细加工机在制备的大尺度金刚石厚膜上切开出边长为4.0mm的等边三角形刀头,并用H2SO4和HNO3混合液煮沸清洗,以去除切缝边际的残留石墨,避免影响金属化层与金刚石的结合。
  • 金刚石外表金属化处理
选用钨氯化蒸腾、氢气复原的化学气相堆积法在金刚石刀头外表(成长面)制备W金属层。实验中,堆积温度别离选用800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃,堆积压力~80 乇,堆积时刻20~30min。
  • 刀头与刀架的焊接
刀架资料为YG6 硬质合金,选用一般Ag-Cu 合金焊料,在大气中选用高频感应加热焊接,焊接温度850℃,焊后空冷。
  • 刀具刃磨
选用惯例金刚石刀具刃磨工艺对焊接刀具进行刃磨,刃磨出的刀具为主偏角60°、副偏角15°、前角5°、后角8°的可转位车刀。

3 实验成果与剖析

图2为制备的CVD金刚石刀头的Raman光谱图。由图可见,在1332cm-1处有一尖利且高强度的金刚石特征峰,标明资料为纯晶质金刚石,无石墨和非晶碳成分。图3为金刚石刀头的扫描电镜(SEM)相片。由图可见,西成高铁注册进入倒计时 独家揭秘主力车型金刚石晶粒刻面明晰,堆砌密实,粒径较粗大,标明金刚石膜结晶质量杰出。由检测成果可知,制备的CVD金刚石刀头资料为质量杰出的纯晶质多晶金刚石。

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图2 金刚石刀头的Raman光谱图

  

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图3 金刚石刀头的SEM相片

  

金刚石刀头与硬质合金刀架的焊接作用可经过焊后刃磨进程中刀头是否掉落来定性表征(一切刀具样品的刃磨工艺相同)。刀头外表W金属化层的制备工艺对钎焊作用的影响见表2。扫描电镜剖析成果标明W层的厚度为4~6µm。
表2 不同温度下金属化处理刀头的钎焊作用
金属化层资料 W
堆积温度 800℃ 850℃ 900℃ 950℃ 1000℃
钎焊条件 大气环境,高频感应加热850℃
刃磨成果 刀头掉落 刀具合格
失效方式 金属化层W膜与金刚石脱离,显露金刚石成长面 无失效
金属W是一种强碳化物构成元素,在高温(900~1000℃)下能与金刚石外表碳原子发作界面化学反响,CVD金刚石厚膜生成安稳的碳化物WC,然后实现与金刚石间结实的化学键合;因为W的热膨胀系数与金刚石挨近,高温堆积发生的热应力较低,堆积的W层与金刚石之间具有杰出的结合强度,加之W与Ag- Cu合金焊料的滋润性较好,因而经过在CVD金刚石外表堆积一层金属W薄膜,可较好处理金刚石与低熔点合金焊料之间滋润性差、金刚石刀头与钢或硬质合金刀架不易焊接的问题。
此外,在大气环境中焊接时,CVD金刚石外表的W金属化层可阻隔金刚石与氧气的直接触摸,避免金刚石在高温下被氧化,因而在温度高达850℃的大气环境下焊接仍可取得杰出的焊接作用。经过外表W金属化处理后,本来只能在真空或维护性气氛中进行的高温钎焊进程可在大气环境中进行,有利于下降焊接本钱,进步焊接强度。
刃磨成果标明,CVD金刚石在900~1000℃的温度下堆积一层4~6µm 厚的金属W后,可完成与低熔点合金焊料的杰出结合。焊后刃磨及切削实验成果标明,该新工艺焊接结实,彻底可满意运用要求。焊接刀具的实验研讨
由表2还可看出,当金属化处理时W的堆积温度低于900℃时,W层与金刚石的结合强度不高,W膜在焊后刃磨进程中受冲击时易与金刚石脱离,其原因可能是在低于900℃条件下堆积的W膜与金刚石间的碳化物界面过渡层厚度不行,然后影响了结合强度。
  • 金刚石厚膜焊接车刀的切削加工功能
用刃磨合格的CVD金刚石厚膜焊接车刀在国产精细车床上进行加工Al棒的切削实验,切削条件及加工成果见表3。
表3 金刚石车刀的切削条件及切削作用
加工资料 切削用量 加工外表粗糙度Ra
(µm)
转速
(r/min)
切深
(mm)
走刀量
(mm/r)
纯Al(铸态) 1700 0.05 0.02 0.1
纯Al(锻态) 1700 0.05 0.02 0.08
由表3可见,用CVD金刚石厚膜焊接车刀加工出的Al 件外表粗糙度极小,到达了一般磨床的磨削作用,CX200型冲压成型机试制成功!可完成以车代磨。
  1. 金刚石刀头资料的质量检测
  2. 金刚石外表金属化处理对钎焊作用的影响

4 定论

  1. 经过在CVD金刚石外表化学气相堆积一层W金属膜,可改进其与低熔点合金焊料的滋润性,处理CVD金刚石可焊性差的问题。
  2. 经过对CVD金刚石刀头外表的W金属化处理,可在大气环境条件下完成与硬质合金刀架的焊接。
  3. 用CVD金刚石厚膜刀具加工有色金属可取得高质量加工外表,到达以车代磨的意图。

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