采用不同涂層工藝的CVD刀具切削高硅鋁合金，觀察比較刀具的磨損過程、磨損與破損形貌及工件加工表面粗糙度，分析CVD金剛石刀具切削高硅鋁合金的磨損機理和失效原因。其研究結果可為涂層工藝的改進提供理論依據(jù)。

1、CVD金剛石涂層刀具切削性能的研究

(1)基體表面脫鈷處理時間對刀具磨損性能的影響

硬質(zhì)合金基體中含有粘結相鈷。在CVD金剛石涂層工藝條件下，鈷會向基體表面擴散，鈷在基體表面的存在，對金剛石成核和生長過程中起到抑制作用。而且碳在鈷中有較大的固溶度和擴散系數(shù)，在金剛石沉積的長時間熱處理過程中，鈷粘結相熔解金剛石涂層。因此采用化學溶液對硬質(zhì)合金基體表面進行脫鈷處理，以消除粘結相鈷的不利影響，提高金剛石涂層基體的結合強度。但脫鈷時間對金剛石成核和生長過程有影響，從而對金剛石膜厚、晶粒度等有著顯著影響。脫鈷時間過長，金剛石涂層厚度明顯增加，粘附強度變差，且因脫鈷深度過大，脫鈷層組織疏松導致基體強度和韌性顯著降低。此外，金剛石晶粒粗大，涂層表面粗糙。因此，脫鈷時間存在一最佳值。通過對CVD45、CVD48、CVD47刀具測試比較(脫鈷時間分別為15min、10min、5min，其它條件相同)表明，對于硬質(zhì)合金基體的金剛石涂層刀具，脫鈷時間為5min時，對應的金剛石涂層粘附強度最強，其切削性能最佳。

TG888砂帶,寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

(2)基體材料對刀具磨損的影響

相同涂層工藝條件下，基體為YG3硬質(zhì)合金的CVD-63金剛石涂層刀具切削性能較基體為YG6硬質(zhì)合金的CVD-47金剛石涂層刀具更佳。表現(xiàn)為：切削過程平穩(wěn)，切削溫度低，工件表面粗糙度小，刀具使用壽命長。

硬質(zhì)合金基體表面進行脫鈷處理后，有利于金剛石的成核，但同時基體強度明顯降低，且表層與基體深層的鈷濃度差，會使深層鈷在金剛石涂層加熱過程和切削熱的作用下向表層擴散，與金剛石碳元素反應及促使金剛石向石墨轉變，削弱刀刃強度，加速刀具磨損。

CVD-63因脫鈷后表面與基體深層的濃度差小，金剛石涂層的質(zhì)量較好。金剛石涂層均勻，金剛石顆粒晶形完整細小，金剛石膜在基體表面有釘扎結合。因此，金剛石涂層基體結合牢固。

(3) CVD金剛石涂層刀具的磨損失效機理分析

金剛石涂層厚度對膜基體的結合強度有著決定性的影響，隨著金剛石膜的增厚，由于膜的內(nèi)部應力增大，結合強度會下降。

金剛石膜表面粗糙度也是導致金剛石膜早期剝落，開裂的主要原因之一。金剛石涂層表面越粗糙，刀具工件接觸區(qū)域摩擦阻力越大，切削溫度越高，甚至產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，金剛石膜及膜基體間強度降低，而導致金剛石膜越早剝落。因此，控制金剛石顆粒尺寸及對金剛石膜進行拋光，以降低表面粗糙度，將有效改善刀具-工件間的摩擦狀況，延長刀具壽命。

通過上述研究可得出如下結論：

(1)CVD金剛石刀具因涂層工藝條件不同，存在著金剛石粒度、膜厚度、膜純度等的不同，磨損性能差異顯著。

(2)對YG6、YG3硬質(zhì)合金基體進行5min脫鈷處理，膜厚為7—10μm的CVD47和CVD-63金剛石膜刀具具有良好的切削性能。

(3)CVD金剛石膜刀具切削高硅鋁合金的主要磨損、破損失效形式有磨粒磨損，金剛石膜開裂、剝落，磨粒磨損主要是工件材料中硬質(zhì)點硅顆粒的“微切削”作用所致。早期金剛石膜剝落主要是金剛石膜/基體間結合強度不足，脫鈷層深度過大基體強度低所致;切削機力、切削熱沖擊作用是引起中、后期金剛石膜剝落主要原因。

2、金剛石涂層刀具切削SiC/Al的適應性及失效機理

CVD金剛石涂層一般厚度為10--25μm,其中不含任何金屬或非金屬添加劑，其多晶結構使其在各方面都具有幾乎相同的極高硬度，并且沒有解理面，因其物理機械綜合性能兼具單晶金剛石和聚晶金剛石所擁有的優(yōu)點，因而成為非金屬硬脆材料、高耐磨材料、復合材料、高硅鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工、數(shù)控加工等首選材料之一，在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)有著廣泛的應用前景。

切削加工實驗研究是刀具研制及應用中重要的一環(huán)，不僅可以直接評價出刀具的切削性能，客觀評價金剛石涂層與刀具基體附著力的大小，給涂層工藝改進提供必要的實驗依據(jù)，而且有利于金剛石涂層刀具在生產(chǎn)實際中的推廣應用。出于此目的全燕鳴等人，對金剛石涂層可轉位刀片SiC顆粒增強鋁基復合材料進行了切削加工實驗研究。研究結果揭示了金剛石涂層刀具的磨損破損機理和切削復合材料適應性，同時還表明涂層工藝對磨損涂層質(zhì)量有重要影響。其結論如下：

(1)金剛石涂層刀具切削加工諸如顆粒增強鋁基復合材料一類耐磨材料時，金剛石涂層過早剝落是刀具磨損失效的主要原因。

(2)金剛石涂層刀具在切削加工中的切削力變化，刀具磨損量和涂層形貌情況等可作為反映刀具涂層質(zhì)量的依據(jù)。

(3)合理的涂層工藝參數(shù)是保證金剛石涂層質(zhì)量的關鍵，適當參數(shù)下沉積金剛石涂層刀具對精加工類似顆粒增強鋁基復合材料的難加工材料有較好的適應性。

3、涂層工藝對硬質(zhì)合金銑刀銑削CFRP性能的影響

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強度、抗疲勞、耐腐蝕和可設計性強等優(yōu)異性能，被廣泛應用于航天、航空、汽車、能源等領域。它是典型的難加工材料。傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金銑刀已不能滿足其加工要求，需增加耐磨涂層。

TG888砂帶,寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

金剛石薄膜因硬度高、導熱率高及摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，成為制作CFR刀具耐磨涂層的理想材料。于是，楊小潘等人在國內(nèi)外專家研究CFRP的切削加工特點的基礎上，有針對性開展了3種硬質(zhì)合金基體相同、涂層工藝和薄膜結構不同的金剛石涂層誠銑刀研究，刀具涂層工藝參數(shù)如表所列。

表1 刀具涂層工藝參數(shù)

在相同的硬質(zhì)合金立銑刀基體上，分別制備了粗晶、細晶、復合晶3種不同涂層工藝的CVD金剛石薄膜。

(1)通過掃描電觀察，粗晶金剛石涂層表面晶粒呈塊狀結構;細晶粒金剛石涂層表面晶粒結構呈球形結構;復合晶金剛石涂層表面晶粒呈錐體結構。

(2)粗晶金剛石涂層硬度高，耐沖擊，但晶界明顯,易產(chǎn)生涂層微崩;細晶金剛石涂層結構致密，但硬度較低;質(zhì)復合晶金剛石涂層結合了粗晶和細晶工藝的優(yōu)點，耐磨性最佳。

(3)在相同的切削條件下對碳纖維復合材料進行銑削加工試驗，復合晶工藝的金剛石涂層銑刀使用壽命最長，約為粗晶金剛石涂層銑刀的1.35倍、細晶金剛石涂層銑刀的1.59倍，更適合于碳纖維復合材料的銑削加工。

4、微/納米復合金剛石涂層的切削性能

超硬刀具最重要的就是其切削性能，不僅要有高的耐磨性，同時還有高的加工精度。鄧福銘等通過熱絲CVD法在硬質(zhì)合金YG6基體上沉積納米、微米、微/納米復合金剛石涂層，并進行了切削對比試驗，研究CVD金剛石涂層刀具的切削性能、失效形式及磨損機理。

表2 不同晶粒金剛石涂層的制備工藝參數(shù)

鄧福銘等通過制備微米、納米、微納米金剛石復合涂層刀具，對其進行了切削對比試驗，可得出如下結論：

(1)對鋁合金材料進行切削加工得出，納米涂層金剛石刀具切削加工后的表面粗糙度值最小，Ra為0.942m，微米金剛石涂層刀具切削加工后表面粗糙度最大，Ra為1.631m。

(2)金剛石涂層刀具后刀面磨損量進行對比分析顯示，納米涂層金剛石刀具的后刀面磨損最大，約為微米涂層的2倍，復合涂層的5倍。從磨損形貌來看，單層微米金剛石刀具和納米涂層金剛石刀具的后刀面金剛石涂層結合力較弱，在切削過程中容易發(fā)生脫落。而微/納米復合金剛石涂層刀具膜/基結合力高，后刀面的金剛石涂層沒有出現(xiàn)脫落，且刀具的磨損較少。

TG888砂帶,寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

(3)金剛石涂層刀具前刀面磨損對比分析中，微米金剛石涂層刀具前刀面的磨損要比微/納米金剛石復合涂層刀具的磨損嚴重，且微米金剛石涂層刀具表面存在很多積屑瘤。

(4)金剛石涂層刀具的主要失效形式是涂層的過早脫落造成刀具的失效，其刀具的失效機理，主要有金剛石涂層臉沉積過程中產(chǎn)生的殘余應力、涂層化學純度低、內(nèi)部微裂紋多，切削時表面粗糙度值大和切削力大以及刀具積屑瘤等原因。