CVD金刚石刀具的研究与应用

泉州师范学院

毕业论文（设计）

题目CVD金刚石刀具的研究与应用

物理与信息工程学院物理学专业10 级学生姓名陆雯冰学号********* 指导教师陈永红职称讲师

完成日期2014年4月24日

教务处制

CVD金刚石刀具的研究与应用

物理与信息工程学院物理专业100302027 陆雯冰

指导老师陈永红讲师

【摘要】化学气相沉积金刚石与天然金刚石很相似,它是一种新型刀具材料。CVD金刚石刀具又分成一种是CVD 金刚石厚膜焊接刀具，另一种是CVD薄膜涂层刀具，物本文主要对CVD刀具的研究与应用现状进行阐述【关键词】薄膜;厚膜;金刚石;化学气相沉积;刀具

The research and application of CVD diamond cutting tools

100302027 Lu Wenbing physics and information engineering college physics major

The instructor Chen Yonghong Lecturer

【abstract】Chemical vapor deposition of diamond and natural diamond are similar, it is a new kind of cutting tool materials.CVD diamond tool and is divided into a CVD diamond thick film welding tool, the other is a CVD thin film coated tools, this article mainly elaborates the research and application

status of the cutting tool.

【key words】Film;thick film;diamond;chemical vapor deposition;cutting tool

引言

世界在不断地发展，科技在不断地进步，汽车、航天和航空工业也在快速地发展，对材料的轻质量化、高强度的要求迅速提高，一些新材料在工业中广泛应用，比如说石墨、陶瓷、有色金属以及合金等，然而，一般的高速钢和硬质合金刀具难以对这些物质进行切削加工。此外，现代尖端科技产品的机械加工，都要求得到高的加工精度和超光滑的加工表面，研究出能长时间恒定地进行加工，且耐磨性能优异的超硬材料刀具是金刚石刀具的发展方向。

金刚石是加工石墨、陶瓷、有色金属以及合金的理想刀具材料，其具有良好的导热性、硬度、耐磨性和化学惰性，低的摩擦系数、热膨胀系数等性质。金刚石刀具大致可分为天然金刚石刀具、化学气相沉积（CVD）金刚石刀具、聚晶金刚石（PCD）刀具等。因为天然金刚石价格高，所以天然金刚石刀具没有在工业上得到广泛的应用。聚晶金刚石（PCD）刀具有很好的切削性能，能对难加工的非金属材料进行加工,但该刀具中加入的粘结剂会使得它的耐磨性和硬度低于天然金刚石刀具，此外，聚晶金刚石刀具无法制造复杂的形状，切削工件难以保证高精度。20世纪80时年代，伴随着化学气相沉积（CVD）金刚石的出现，CVD金刚石刀具也随之诞生，CVD金刚石刀具没有添加任何金属结合剂，其性能与PCD 刀具很类似，且与PCD刀具对比，CVD刀具不仅造价低，而且还可以制造复杂形状的刀具。

从表1中我们可以了解到CVD金刚石的主要性能与天然金刚石的性能的区别。CVD金刚石刀具

目前可分为两大类：一类是CVD金刚石薄膜涂层刀具，另一类是CVD金刚石厚膜焊接刀具，本文将对这两种CVD金刚石刀具的研究和应用现状进行阐述。

一、CVD金刚石薄膜涂层刀具

化学气相沉积金刚石薄膜涂层刀具，是以硬质合金为衬底，在衬底上利用化学沉积的方法沉积一层膜而制造成的，膜的厚度小于20um且可以沉积在任何形状的衬底上，CVD金刚石薄膜涂层刀具具有低摩擦系数、高耐磨性、高硬度及表面化学性能稳定等优异特性。

(一) CVD金刚石薄膜的制备

金刚石薄膜的制备方法大概有二十多种，有微波等离子化学气相沉积法、燃烧火焰沉积法、直流电弧等离子喷射化学气相沉积法、热丝化学气相沉积法、激光辅助化学气相沉积法、水热法、电子回旋共振化学气相沉积法等。本文主要针对前四种进行阐述。

1.热丝CVD法

热丝CVD法在很早就被发现。它是在真空反应室（由石英管或者类似容器构成）上部分装置如钨钼、钽等难熔金属材料制成的灯丝，然后用交流或直流电源将灯丝加热至高温，在热丝下方10mm左右处放上用于沉积金刚石的基片，向真空室中充入含碳气体（如CH4和H2）的混杂气，并确保它们通过热丝通向基片表面，在灯丝的强温效果下气体将分解离化，产生处在激发态的氢原子和含碳活性基团等，这些基团相互反应后沉积在基片表面形成金刚石或金刚石膜。热丝法易于生长大面积的金刚石膜，沉积速率快，一个小时可沉积几微米至十几微米。且热丝法还具备造价成本低、掌控参数多等优点。但热丝法也存在缺陷：1、热丝易于变形从而影响到涂层的均匀性；2、热丝上蒸发的原子可能在膜上产生污染。两者都会使得膜的质量受到影响。

2.微波等离子CVD法（MPCVD)

微波等离子化学气相沉积法的原理是使用高强度的微波分解、激发基片上方的气体（如CH4和H2），从而形成活性含碳基团和原子态氢，形成高浓度的、稳定的等离子体，进而在基片上沉积得到金刚石薄膜。微波等离子CVD法（MPCVD)的优点：1、微波功率高，不需要额外的加热装置，确保了金刚石的低温沉积；2、微波等离子CVD法（MPCVD)没有电极放电，无金属污染，可制备出纯度高、品质好的金刚石薄膜，而且成核率高。微波等离子CVD法（MPCVD)存在的缺陷：如制造成本高、仪器较为复杂、沉积速度相对热丝法慢、不能沉积大面积的金刚石薄膜等。

3.直流电弧等离子喷射CVD法

直流电弧等离子喷射CVD法是一种较晚发展的金刚石薄膜沉积技术，它的组成部分有：包围阴极的筒状阳极、杆状阴极、真空系统、喷嘴、气体输入系统、直流高压电源、水冷系统等。其中利用此方法得到金刚石膜的工艺流程为——在阴极和阳极期间施以直流高压电压，产生电弧放电，使大量的气体经过放电区，气体在电弧高温状态下极速膨胀从喷嘴高速喷出，形成离子体射流射到基片上，冷凝、形核、形成金刚石薄膜。用直流电弧等离子喷射化学气相沉积法，它的优势在于沉积金刚石薄膜的速度快，这也应该是它最突出的一个特征，但这种方法浪费能量，设备成本高，难以大面积制备金刚石薄膜，而且薄膜的稳定性和质量也很难得到保证。

4.燃烧火焰CVD法

燃烧火焰法CVD法最早开始是由日本人Hirose发现，接着由Hanseen和Yarbrough等美国人验证了这个方法的可性行。氧气和乙炔是燃烧火焰CVD法中所要用到的原料，该制备金刚石薄膜的工艺流程为——把调节好比例的氧气和乙炔混合体，在大气中燃烧，接着把基片设置在燃烧火焰的内陷中，最后就在基片上生成了金刚石膜。燃烧火焰CVD法可以实现曲面沉积，快速地生成金刚石膜，且设备简单。但在使用该方法的制备过程中气体消耗大，基片温度不易控制，金刚石膜的质量较低。

（二）CVD金刚石薄膜涂层刀具——膜与基间附着力弱的处理方法

目前可以在Cu、Si、Mo、WC、硬质合金等多种非金刚石基体上附着金刚石膜。硬质合金是使用频率最高、最可靠的基体材料。但硬质合金粘结相——金属Co在高压高温的条件下会使石墨转化为金