晶體金剛石涂層

“切削刀刃上聚集著高額利潤”是1911年Schlesinger在談論到生產過程中如何提高生產率和生產效率時所說的。時至今日，對于革新性刀具材料和涂層高性能刀具來說仍然有效，尤其是在進行高磨損和新型材料加工時。這些新材料包括：用于EDM電極加工的硬化煤、石墨和銅，用于發動機零件和引擎的現代輕質材料硅鋁合金(硅含量超過12%)、金屬復合材料(MMC)，生壓胚、纖維及微粒增強金屬及塑料。而木材也是磨蝕性很強的難加工材料代表之一。對上述材料的經濟加工中，金剛石因其超凡的硬度而成為首選。從15年前開始，人們便可以穩定高效地合成純晶體金剛石了，該工藝促成了新一代金剛石涂層刀具的問世和規模化生產。性能優越、涂層可根據切削刃部形狀進行匹配是其生產工藝的特點，而涂層賦予刀具應用中最突出的性能便是金剛石晶體所具備的特性，例如高硬度、極佳的摩擦性能和潤滑性能以及較好的導熱性。

用于合成CVD晶體金剛石的含碳氣體，例如甲烷、乙炔或一氧化碳被裂解后首先以石墨和金剛石的形式沉積到基體表面，多余的石墨必須除去以便獲得純晶體金剛石薄膜，可以通過調整工藝參數或采用氫體刻蝕的方法以避免石墨生成。近20年來，人們開發出了許多種不同的金剛石沉積工藝，這些工藝通過采用熱或等離子輔助活化方法分解氫原子使其成為氣態，除了直流等離子噴射(DC-plasma-jet)、高電流直流電弧(highcurrent-DC-ARC)及微波法外，目前最合適并且在切削刀具和零件上廣為應用的是熱絲CVD工藝(hot-filament-CVD-process，HF-CVD)，如CemeComAG公司的CC800/DIA全自動金剛石涂層裝置。

合成晶體金剛石涂層工藝技術與用于現代硬質膜沉積的工藝完全不同，它在具有復雜幾何形狀的刀具表面沉積CVD金剛石薄膜所需的工藝溫度約為850℃，因此對于切削刀具來說，該工藝僅僅適用于耐熱材料，例如硬質合金或碳化硅。近年來的研發工作在沉積晶體金剛石涂層結合力方面取得了很大進展，這主要歸功于前處理方法和工藝技術的進一步改進，即意味著可以在具有復雜形狀的切削刀具任意需要保護的位置沉積金剛石薄膜。

工藝初始階段，晶體金剛石薄膜的生長從一個個小顆粒的結晶開始，接著晶粒聚集在一起形成晶島，然后便生長為完整的金剛石膜層，具有朝向表面生長方位的晶體占據著主導地位并且緊挨著相鄰的晶體生長，這樣一來便形成了傳統微晶CVD金剛石涂層典型的柱狀結構。晶柱的尺寸影響著表面的粗糙度，微晶金剛石薄膜的粗糙度使其成為加工諸如石墨和生壓胚材料時的理想選擇。在這些應用領域中的一個顯著特點便是加工過程中幾乎不產生切屑，只有粉塵。

通過調整工藝參數可以將晶體粒徑減小到納米級并生成具有平滑表面的納米晶體金剛石薄膜。特殊設計的循環變化工藝參數促成了金剛石晶體的再次成核，納米金剛石涂層還可改善表面的不平坦狀況。

金剛石晶體的粒徑對于涂層表面結構具有至關重要的影響。平滑金剛石涂層的晶粒大小在5～20nm之間，其表面平滑度是在鋁和鋁合金材料加工時滿足其切屑去除要求所必需的，而標準涂層根據其涂層厚度，一般粒徑在0.5～5μm之間。表面粗糙度通常由晶體大小決定，因此可以通過選擇不同的工藝參數來獲得不同的結果。與所有其它采用CemeCom工藝技術沉積的金剛石薄膜一樣，平滑金剛石薄膜不含任何無組織碳或石墨改性，只有這種純金剛石才具有特定的硬度和抗磨損能力。

兩種不同金剛石薄膜的優點可以通過復合涂層的組合方式得到綜合。與PVD涂層一樣，復合涂層的結構可以在表面涂層發生斷裂后阻止斷裂的進一步擴展，斷裂在每一層界面得到中止和偏離，因此無法輕易延伸至基體涂層面。

根據應用狀況，金剛石涂層的厚度通常在6～20μm范圍內。在PCD(聚晶金剛石)切削刃上沉積金剛石薄膜，其金剛石晶體植于鈷矩陣中生長。

CVD金剛石表現出比PCD金剛石更高的硬度、更好的抗裂化性能，并可根據應用需要優化其刀刃的圓弧度，例如較高的進給率要求較大的圓弧度。

在加工難度大的應用場合，伴隨著研磨磨損的增加，需要更高的涂層厚度以便增加其磨損容量，但是由此形成的更大刃部圓度可能會對被加工工件的表面質量產生消極影響，特別是對纖維增強材料(例如木頭等)進行加工時往往需要非常鋒利的切削刃。新開發的工藝可對金剛石涂層后的切削刃進行再次鋒利處理，處理方法包括電蝕法、激光或等離子處理等。再鋒利處理后的切削刃其圓弧度小于0.5μm。