数控机床

  
       摘 要：根据国内刀具涂层市场现状，论述了金刚石涂层刀具的特点，提出化学气相沉积金刚石涂层技术发展方向。
 
       关 键 词：金刚石涂层；刀具；化学气相沉积
   
      随着碳纤维、玻璃纤维、高硅铝合金、陶瓷、石墨等等高强复合材料在现代航空航天、汽车、能源、船舶、国防装备等等工业领域的日益广泛应用，对此类材料的机械精加工提出了更高的要求。当前机加工大量使用的硬质合金刀具已逐渐不能满足要求，因此对高精度长寿命刀具的需求就显得越来越迫切[1]。

     随着加工强度的不断增大，当前广泛使用的硬质合金刀具其耐磨性和强韧性难以满足使用要求。金刚石因具有极高的硬度、高导热性、低摩擦系数和低热膨胀系数等优
异性能已成为理想的刀具材料[2]。
 
    因此，在硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜可大幅度提高刀具表面的硬度和耐磨性，延长刀具使用寿命[3]。为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，国内外都投入了大量资金和人员进行了化学气相沉积 （Chemical Vapor Deposition-CVD） 金刚石涂层刀具的开发[4]。

   
    在金刚石涂层刀具制备技术与装备技术开发方面，欧、美、日始终处于世界前列，并有各自成熟、稳定、高品质刀具推向市场。著名品牌公司主要有 美 国 肯 纳 金 属（KennaMetal）公 司、以 色 列伊 斯 卡、德 国 Cemecon AG、美 国 Diamond CoatingTools 公司、美国 sp3 公司以及日本 OSG 公司等等。另外如巴尔查斯、普维特等涂层加工公司也可接受刀具金刚石涂层加工服务。国内有报道的专业提供金刚石涂层刀具的厂家主要是湖南中航超强（湖北咸宁超强的子公司）公司，但其产品稳定性、市场占有率的数据目前还难以查询。我国目前产业化金刚石刀具与国际差距巨大，基本没有金刚石涂层刀具的批量生产报道，只能依赖进口或者在国外涂层公司委托加工，且受诸多限制，极大制约我国国防工业、民航工业、汽车、新能源等工业的发展。
 
    1 、CVD 金刚石涂层刀具现状
 
    当前，制备刀具级 CVD 金刚石涂层主要使用热丝 CVD 法[5。该工艺具有成本低、生长速度较快，并且装置容易放大等优点，是目前普遍采用的一种制备金刚石膜的装置[6]
。沉积时，甲烷和氢气通过热丝加热可分解成活性的甲基自由基和原子氢，通过活性粒子的化学反应，在样品表面上碳 - 碳以 sp3 键结合形成金刚石薄膜。总的化学反应为 CH（4 气）—（热激活）→C（金刚石）+2H2（气）[7]。
 
     在实际使用中发现，该类金刚石涂层刀具寿命变化较大。研究认为，造成该结果主要是由于硬质合金刀具基材中的 Co 的催化石墨化作用以及硬质合金与金刚石薄膜热膨胀系数的较大差异 [4,8]，致使金刚石涂层与硬质合金刀具粘附性差，在实际应用中金刚石涂层易剥落从而造成刀具失效[4]。硬质合金的热膨胀系数与金刚石涂层的热膨胀系数不匹配，差异较大[9]。金刚石涂层沉积后的冷却过程中容易造成金刚石涂层的剥落，尤其是对于复杂型面刀具，在刀具尖端及切削刃口边缘部分更容易产生应力集中而造成金刚石涂层剥落[10]。很多研究人员采取各种办法来解决这个问题[11-14]，但效果并不理想。
 
     2、 CVD 金刚石涂层刀具制备工艺发展现状
 
     在开发刀具的过程中，最初是用昂贵的天然金刚石作为切割刀具，1977 年 GE 公司又成功地开发了金刚石烧结体 （PCD） 刀具替代了天然金刚石刀具，随后大颗粒的单晶金刚石的合成，为取代天然金刚石创造了条件，而今，CVD 技术的发展将金刚石刀具推向了从薄膜向厚膜扩展，在市场的驱使下，金刚石刀具也朝着强度高、寿命长、成本低的新型高性能材料转变。CVD 金刚石涂层经二十多年的发展逐渐克服了各种技术性问题，主要保证以下两个关键点：一是要保证硬质合金衬底上 CVD 金刚石膜的质量；二是保证金刚石膜和衬底之间的结合力强度。随着刀具市场的不断发展，有必要对 CVD金刚石涂层刀具的制备方法进行解释[15,16]。化学气相沉积（CVD）法 是 在 高 温 条 件 下 使 气 态 原 料（如甲烷和氢气）分解，生成碳原子或甲基原子团等活性粒子，并在一定工艺条件下，在衬底表面上沉积金刚石膜的方法[17,18]。根据激发等离子体的形式不同则主要方法有：热丝化学气相沉积（HFCVD） 法 [19]、微波等离子体化学气相沉积（MPCVD） 法和直流电弧等离子体喷射 （DC ArcPlasma Jet）法[20,21]。
 
     目前，热丝 CVD 法是最为普遍也是最为成熟的制备金刚石涂层刀具方法，由于热丝法设备造价便宜、可控性高，是目前工业应用中的主要方法[22]，国外刀具公司也开发出用于生产的沉积设备。
 
    微波等离子体 CVD 法相对于热丝法有更多的优点，微波激发的等离子体中减少了热丝高温中挥发引起的杂质，这就使得金刚石的沉积质量较高，但是微波法沉积速率较低，沉积面积较小，而且设备造价高，在目前技术不够成熟的条件下还不能够进行工业化应用，但微波法众多的优点将会是未来市场的主角[23]。直流等离子喷射法是目前沉积速率最快的方法，其 生 长 速 率 最 高 可 达 930μm/h [24]，该方 法发展也比较完善，目前我国的北京科技大学和河北科学院等单位已经开发并完善了该项技术。
 
    3 、金刚石涂层刀具的市场前景
 
    据调查，全球刀具需求市场未来 5 年预计年增长 3%~5%[25]。从国内刀具的供应来看国产刀具占据主流地位达 65%。这些年我们也成就了像株钻这样优秀的企业加上原来的四大工具厂等大概有 10 家骨干企业都从传统的刀具走进现代刀具行业，而且一年比一年发展得好，它们已进入了快速增长期。这是一个非常好得表现，同时也大大刺激了刀具磨床行业的发展。数据显示2010 年我国国产刀具生产总量为 290 亿元，除供应国内市场外，出口刀具 70 亿元。同年，我国进口刀具和国产刀具总销售额达到 330 亿元，居全球第一。中国的刀具 2010 年增长了 40%。在 330亿元销售中进口的 110 亿 元 刀 具 全 是 现 代 高 效刀具，220 亿元的国产刀具中称得上现代高效刀的仅有 20 亿元 左 右 ，仅 占 到 10% ~15% ，而 国 外品牌刀具销售额占到我国刀具消费的 1/3。这表明中国成为全球最具发展潜力的刀具大市场同时高端市场被跨国企业占据，这是一个大问题。2011 年国内刀具市场依然保持高速增长，创造新的历史最高点。统计数据显示全年刀具销售400 亿元，比 2010 年增长 21%。其中国产刀具销售 265 亿元，进口高 端 刀 具 135 亿 元 ，进 口 仍 占1/3 以 上 。 2012 年 全 国 刀 具 销 售 485 亿 元 ，比2011 年增长 21%，进口刀具 176 亿元左右，占到36%市场份额。
 
    总体而言，当前对高品质CVD 金刚石涂层的硬质合金端铣刀、钻头、铰刀、丝锥、螺纹铣刀、镶嵌刀片等加工刀具的研究尚不充分。目前金刚石涂层刀具产品市场国外品牌的垄断地位暂时还难以撼动，我们期待应用此新工艺开发出来的金刚石涂层刀具可以逐步分享这部分高端刀具市场，并依靠该项目的进一步开发，逐步赶上国外品牌的质量，并最终达到与国外品牌抗衡的地位。

   作者及来源：

   刘鲁 生 1，陈晓东 2，田清泉 3，姜亚南 3
   1.沈阳科金新材料有限公司 2.沈阳中北真空技术有限公司 3.中国科学院金属研究所