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當(dāng)前,金剛石的主要加工方法有四種:薄膜涂層工具,厚膜金剛石焊接工具,金剛石燒結(jié)體工具和單晶金剛石工具。
2.1涂膜工具
薄膜涂覆工具是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)在具有良好剛性和高溫特性的集體材料上沉積金剛石薄膜而制成的工具。
由于Si3N4陶瓷,WC-Co硬質(zhì)合金和金屬W具有接近金剛石的熱膨脹系統(tǒng),因此在成膜過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小,因此可以用作刀體的基礎(chǔ)材料。 在WC-Co系列硬質(zhì)合金中,結(jié)合相Co的存在趨于在金剛石膜和基底之間形成石墨,并降低了粘合強(qiáng)度。 需要進(jìn)行預(yù)處理以在沉積之前去除Co的影響(通常通過酸腐蝕去除Co)。
化學(xué)氣相沉積法使用某種方法來活化包含C源的氣體。 在極低的氣壓下,碳原子沉積在特定區(qū)域,并且在冷凝和沉積過程中,碳原子形成金剛石相。 當(dāng)前用于沉積金剛石的CVD方法主要包括微波,熱絲和DC電弧噴涂方法。
金剛石膜的優(yōu)點是可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的幾何工具,例如去屑刀片,立銑刀,鉸刀和鉆頭。 它可用于切割許多非金屬材料,這些材料切削力低,切削過程中變形小。 工作平穩(wěn),磨損緩慢,工件不易變形。 適用于工件材料好,公差小的精密加工。 主要缺點是金剛石膜與基材之間的粘附性差,并且金剛石膜切割器不具有可再研磨性。
2.2金剛石厚膜焊接工具
金剛石厚膜焊接工具的制造工藝一般包括:大面積金剛石膜的制備; 將金剛石薄膜切割成工具所需的形狀和尺寸; 將金剛石厚膜焊接到工具的基礎(chǔ)材料上; 金剛石厚膜工具切削刃的研磨和拋光。 (1)金剛石厚膜的制備與切割
制備金剛石厚膜的常用方法是DC等離子體噴射CVD法。 金剛石沉積在WC-Co合金上(表面進(jìn)行鏡面拋光)。 在基板冷卻期間,金剛石膜會自動剝離。 該方法具有較快的沉積速度(高達(dá)930μm/ h),晶格緊密結(jié)合,但生長表面粗糙。 金剛石膜的高硬度,耐磨性和非導(dǎo)電性決定了其通過激光切割的切割方法(切割可以在空氣,氧氣和氬氣的環(huán)境中進(jìn)行)。 激光切割不僅可以將金剛石厚膜切割成所需的形狀和尺寸,還可以切割刀具的后角,具有切割窄而有效的優(yōu)點。
(1)金剛石厚膜切割機(jī)的焊接
金剛石與普通金屬及其合金之間的界面能非常高,以致金剛石不能被普通的低熔點合金潤濕,并且焊接性極差。 目前,主要通過在銅-銀合金焊料中添加強(qiáng)碳化物形成元素或?qū)饎偸砻孢M(jìn)行金屬化來改善金剛石與金屬之間的可焊性。
①活性焊法
焊料通常由含Ti的銅-銀合金制成,并且在惰性氣體或真空中焊接而無需添加助焊劑。 普通焊料成分Ag = 68.8wt%Cu = 26.7wt%,Ti = 4.5wt%,通常的制備方法是電弧熔化法和粉末冶金法。 Ti在焊接過程中作為活性元素與C反應(yīng)形成TiC,可以改善金剛石和焊料的潤濕性和粘結(jié)強(qiáng)度。 加熱溫度通常為850°C,保持10分鐘,然后緩慢冷卻以降低內(nèi)部應(yīng)力。
②表面金屬化后的焊接
金剛石表面的金屬化是通過表面處理技術(shù)將金屬鍍在金剛石表面上,以使其表面具有金屬或類金屬的特性。 通常,金剛石表面鍍有Ti,Ti與C反應(yīng)形成TiC。 TiC和Ag-Cu合金焊料具有良好的潤濕性和結(jié)合強(qiáng)度。 目前常用的鍍鈦方法包括:真空物理氣相沉積(PVD,主要包括真空蒸發(fā)鍍,真空濺射鍍,真空離子鍍等),化學(xué)氣相沉積和粉末涂層燒結(jié)。 PVD法的單鍍層量低。 電鍍過程中金剛石的溫度低于500°C。涂層和金剛石之間存在物理粘附,并且沒有化學(xué)冶金。 CVD Ti與金剛石反應(yīng)形成牢固的冶金結(jié)合。 反應(yīng)溫度高,金剛石受損。
(2)磨削厚膜金剛石工具
金剛石厚膜工具的加工方法包括:機(jī)械研磨,熱金屬盤研磨,離子束,激光束和等離子蝕刻。