鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

1 引言

       早在20世紀(jì)50年代初就開始了化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石膜的研究，1970年蘇聯(lián)的科學(xué)家們，率先打破了只有在高溫高壓條件下，才能合成出金剛石的傳統(tǒng)觀念，開創(chuàng)了化學(xué)氣相沉積金剛石的嶄新技術(shù)方法，是對(duì)金剛石合成技術(shù)的進(jìn)步的重大貢獻(xiàn)。并為其應(yīng)用范圍的不擴(kuò)大注入了新的活力。CVD合成金剛石技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，是對(duì)高壓高溫合成金剛石是一種補(bǔ)充而不是替代。因?yàn)檫@兩種方法合或成出來(lái)的金剛石除了其共性外，還有其個(gè)性，正是由它們個(gè)性上的差異，所以有各自的特殊應(yīng)用領(lǐng)域。

       CVD金剛石投入工業(yè)化生產(chǎn)的十多年來(lái)，無(wú)論是單晶體的質(zhì)量，還是生長(zhǎng)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。CVD金剛石的應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大，元素六公司在應(yīng)用開發(fā)方面引領(lǐng)著世界向更新、更高的目標(biāo)邁進(jìn)！

       由于CVD金剛石技術(shù)的日益改進(jìn)與完善，CVD金剛石除應(yīng)用作熱沉材料、刀具材料等外，正在研發(fā)CVD金剛石在軍事工程、空間技術(shù)、諜報(bào)器材等全新領(lǐng)域中的應(yīng)用，本.文僅就其作為刀具材料的制備、性質(zhì)與應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)問題做一簡(jiǎn)要的閘述。

2  CVD金剛石的制備技術(shù)

2.1 CVD膜生長(zhǎng)的基條件

2.1.1  氣體中必須含有碳源，如甲烷、乙醇、乙炔等。

2.1.2  氣體必須被激化，要么被高溫激化，要么被等離子激化。

2.1.3  氣體中必須有刻蝕石墨或抑制石墨生長(zhǎng)的元素。目前公認(rèn)的有L司氫原子、氟原子、氧原子等。

2.1.4  基體上金剛石可以成核和長(zhǎng)大。

2.1.5  必須有驅(qū)動(dòng)力使氣體到達(dá)基體表面。

2.2  納米金剛石膜制備的常用裝置

       制備納米金剛石膜所用的制備裝置與常規(guī)金剛石膜所用的設(shè)備差不多，但使用最多的是熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)和微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)，其結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1（下圖左）和圖2（下圖右）[1]。

     圖1 熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD)                                     圖2 微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)

       在上述兩種制造方法中，微波等離子體法由于能形成均勻的等離子體狀態(tài)，在制備高質(zhì)量、大面積金剛石厚膜方面顯示極大的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外最大沉積面積已達(dá)ф300mm，生長(zhǎng)速度為10μm/h，且有連續(xù)穩(wěn)定的工作特點(diǎn)，但制造設(shè)備昂貴(約19萬(wàn)美元/臺(tái))。因此，目前囯內(nèi)外CVD金剛石厚膜刀具原材料大多采用熱絲等離子CVD設(shè)備生產(chǎn)。熱絲等離子CVD法可合成大面積高質(zhì)量的CVD金剛石厚膜，目前，國(guó)外最大直徑可達(dá)180mm，國(guó)內(nèi)可達(dá)120mm。據(jù)北京中國(guó)礦業(yè)大學(xué)稱，他們解決了大面積沉積過(guò)程中厚膜內(nèi)應(yīng)力大、圓片易開裂、熱絲易斷裂、生長(zhǎng)不均勻、生長(zhǎng)速率低等技術(shù)難題，已能生長(zhǎng)出厚度均勻、面積大的無(wú)支撐全舊明晶質(zhì)CVD金剛石厚膜，直徑110mm，厚度可在0.6~1mm范圍內(nèi)均勻一致，生長(zhǎng)速度10~15μm/h，符合切削刀具用CVD金剛石厚膜的質(zhì)量要求[2]。
 
       傳統(tǒng)的CVD法是以大量氫氣為主要反應(yīng)氣體，同時(shí)加入少量的碳源氣體(少于5%)，沉積出的金剛石是微米級(jí)的柱狀多晶。制備納米金剛石膜則要降低氫氣含量，甚至采用大量其他氣體如氬氣、氮?dú)鉃橹饕磻?yīng)氣體，同時(shí)加入少量氫氣和碳源氣體，提高沉積過(guò)程中的二次成核率，減小晶粒尺寸。在納米金剛石生長(zhǎng)中，C2是重要的參與者與決定性的成分[3]。

3 CVD金剛石及其刀具的特性

表1 室溫下純天然金剛石與CVD金剛石的主要性能比較[4]

       金剛石厚膜焊接刀具兼具單晶金剛石和金剛石薄膜涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)十幾年應(yīng)用開發(fā)研究，已進(jìn)入實(shí)用階段。美國(guó)Kennametal公司、通用電氣公司和Norton公司等，日本三菱金屬、住友電工和東芝鎢金屬等和歐洲的一些囯家如瑞典Sandvik公司、德國(guó)Guhring公司已有產(chǎn)品在市場(chǎng)上出售。
       元素六公司推出的牌號(hào)為CVDITE CDM的CVD金剛石-硬質(zhì)合金焊接刀片有0.3mm和0.5mm兩種厚度，按三角形和矩形不同幾何形狀供應(yīng)客戶。
       美國(guó)Norton Film公司推出的牌號(hào)為DiamaPak的CVD金剛石復(fù)合片，也是0.3mm或0.5mm厚度的CVD金剛石層焊接到硬質(zhì)合金基底上，刀片總厚度為1.6mm，可根據(jù)用戶需要提供各種形狀。
       Norton公司宣稱，其牌號(hào)為DiamaPak的CVD金剛石復(fù)合刀片在許多非鐵材料加工中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)PCD，刀具壽命長(zhǎng)10倍，而且有更好的加工表面光潔度。北京天地東方金剛石技術(shù)有限公司稱，該公司的高精密CVD金剛石厚膜刀具切削試驗(yàn)表明，加工光潔度達(dá)到Ra0.02~0.04μm[5]。

4 應(yīng)用
CVD金剛石厚膜刀具應(yīng)用的若干關(guān)鍵性技術(shù)
       4.1 由于氣相沉積的金剛石膜多為多晶膜，晶粒較粗，表面凸凹不平，在許多情況下不能直接使用，因而拋光處理是必不可少的重要工藝步驟。由于金剛石厚膜硬度高、韌性差，研磨拋光效率低，極易破裂及損傷，因此拋光技術(shù)已成為CVD金剛石厚膜刀具應(yīng)用中的關(guān)鍵性技術(shù)。
       4.2 由于CVD厚膜為純金剛石，不導(dǎo)電，阻礙較成熟的電火花（EDM）切割和加工技術(shù)的應(yīng)用。
       4.3 要解決大面積沉積過(guò)程中厚膜內(nèi)應(yīng)力大、圓片易開裂、熱絲易斷裂、生長(zhǎng)不均勻、生長(zhǎng)速率低等技術(shù)難題，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著制造商
       4.4 CVD金剛石厚膜與硬質(zhì)合金基體之間的焊接強(qiáng)度的強(qiáng)弱，是決定CVD刀具用于斷續(xù)切削這種高要求機(jī)械加工的關(guān)鍵。
       CVD金剛石用于切削有兩種形式：聚晶質(zhì)CVD金剛石薄膜和單晶質(zhì)C VD金剛石厚膜或片，可切割或成不同形狀。單晶質(zhì)CVD金剛石切割工具.主要用于加工強(qiáng)度高而質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)材料如金屬基體復(fù)合材料(MMCS)等，存在的問題是不能制成形狀復(fù)雜的切削工具。聚晶質(zhì)CVD金剛石薄膜常用超硬覆層材料附著于切削工具刀頭或刃部，如鉆頭、鉸刀、擴(kuò)孔器、尖底锪等來(lái)加工有色金屬、塑料、復(fù)合材料(碳素纖維或纖維玻璃增強(qiáng))等，與碳化鎢合金刀具相比，切削速度更快、使用壽命更長(zhǎng)、加工的光潔度更高[6]。
       4.5 美國(guó)Kennametal公司于2003年推出的新型數(shù)控機(jī)床刀具KD1405，是一種“純金剛石”刀具材料，它具有良好的韌性，可改善刀具的耐磨性，在用于連續(xù)車削及輕負(fù)荷斷續(xù)車削、精銑和半精銑刀加工時(shí)，刀具壽命與PDC刀具相比，可提高100%~200%[7]。
       4.6 干切削是未來(lái)切削的主要方向。隨著切削速度的提高92000m/min），CVD厚膜切削刀具會(huì)成為干式高速切削某些新材料的首選工具[5]。
       4.7 干切削是未來(lái)切削的主要方向。隨著切削速度的提高92000m/min），CVD厚膜切削刀具會(huì)成為干式高速切削某些新材料的首選工具[8]。

表2   高速干切削常用刀具材料

       利用CVD金剛石門英膜替代天然金剛石制作超精密刀具，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)方面還是從技術(shù)可行性方面均具有很大的優(yōu)勢(shì)。
       超精密加工領(lǐng)域是用高效率的切削加工替代磨削和其他研磨加工的一種高精加工技術(shù)，每年我國(guó)在航天航空和光學(xué)等精密加工領(lǐng)域所消耗的超精密刀具總值超過(guò)數(shù)百萬(wàn)美元，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展遍布在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多領(lǐng)域，多種產(chǎn)品的高光潔度裝飾加工要求與日俱增，這是一個(gè)巨大的具有活力的市場(chǎng)。
       從生產(chǎn)技術(shù)方面講，CVD金剛石膜完全可以作為超精密加工的刃口材料[3]，CVD金剛石膜超精密刀具的技術(shù)研究將有效地推動(dòng)囯內(nèi)超精密加工領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。
       目前囯內(nèi)超精密金剛石刀具大部分依賴進(jìn)口，囯外刀具價(jià)格奇高，屬于技術(shù)壟斷的產(chǎn)品。隨著超精度CVD金剛石刀具的研制開發(fā)，可以大大改善和提高國(guó)內(nèi)超精密加工刀具在囯際市場(chǎng)的地位，加強(qiáng)我國(guó)超精密刀具業(yè)的囯際影響力。
       CVD金剛石膜材料是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的功能性材料，利用性能優(yōu)異的高質(zhì)量CVD金剛石替代天然金剛石制作超精密刀具可以降低生產(chǎn)成本，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，減少國(guó)內(nèi)超精密加工領(lǐng)域?qū)?guó)外技術(shù)的依賴。
       超精密刀具用途廣泛，軍事領(lǐng)域可用于航空儀表軸承、雷達(dá)波導(dǎo)管、光學(xué)器件、高能加速器等精密儀器的加工。在民用領(lǐng)域，如隱形眼鏡加工、眼科手術(shù)、人體器官移植、多種新型產(chǎn)品裝飾加工等，是超精密制造中必不可少的工具。
5 結(jié)語(yǔ)
       5.1 目前有代表性的CVD金剛石生長(zhǎng)技術(shù)是大面積的熱絲CVD技術(shù)和大功率(35kW或更高)微波技術(shù)。大面積的熱絲CVD技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用和比較成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，它的生長(zhǎng)面積已達(dá)到直徑300mm以上，該方法在涂層應(yīng)用方面最為成功，代表性的企業(yè)有著名的美國(guó)SP3、Crystallame、CVD-diamond、Diamonex、DDK等公司。
       5.2 四種形態(tài)的CVD金剛石，它們是∶
       5.2.1 純多晶金剛石厚片；
       5.2.2 涂層金剛石；
       5.2.3 單晶金剛石，重達(dá)10克拉，代表著當(dāng)今寶石級(jí)金剛石晶體培育技術(shù)的最高水平。
       5.2.4 納米金剛石膜。目前國(guó)內(nèi)外納米金剛石膜的研究，還處于基礎(chǔ)研究階段。應(yīng)用研究剛剛起步，尚未形成成熟產(chǎn)品，距產(chǎn)業(yè)化還有很大距離。
       納米金剛石復(fù)合膜的特點(diǎn)是在常規(guī)金剛石膜的基礎(chǔ)上，原位繼續(xù)生長(zhǎng)一層納米金剛石膜以組成復(fù)合涂層，具有耐磨、附著力強(qiáng)、表面平整光滑、摩擦因數(shù)小、易于研磨拋光等特點(diǎn)，不僅解決了涂層附著力這一技術(shù)難題，而且突破了金剛石涂層表面不易拋光這一瓶頸，掃除了金剛石膜產(chǎn)業(yè)化的障礙。
       5.3 美國(guó)SP3公司從事研究降低CVD金剛石生產(chǎn)戰(zhàn)成本的問題至今已有十余年歷史，認(rèn)為熱絲CVD技術(shù)合成金剛石有利于降低成本。而元素6公司則對(duì)微波等離子CVD法情有獨(dú)鐘，目前使用的是微波等離子增強(qiáng)型CVD技術(shù)。
       5.4  CVD金剛石工具正在逐步取代精密和超精密加工的PDC、單晶及天然金剛石工具市場(chǎng)，其中金剛石涂附工具顯現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力。
       5.5 干切削是未來(lái)切削的主要方向。隨著切削速度的提高92000m/min），CVD厚膜切削刀具會(huì)成為干式高速切削某些新材料的首選工具[9]。
參考文獻(xiàn)
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