[發明專利]一種復合材料加工用金剛石涂層刀具及其制備方法

在審

• 申請號: 201410289101.5
• 申請日: 2014-06-24
• 公開（公告）號: CN105216021A
• 公開（公告）日: 2016-01-06
• 發明（設計）人: 陳亞奮;盧志紅;林彩妹;張守全
• 申請（專利權）人: 廈門金鷺特種合金有限公司
• 主分類號: B26D1/00
• 分類號: B26D1/00;C23C16/27
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 連耀忠

技術領域

本發明涉及復合材料加工用金剛石涂層刀具及其涂層領域，特別是涉及一種主要用于碳纖維復合材料加工用的金剛石涂層刀具及其制備方法。

背景技術

碳纖維復合材料具有比強度高、比模量高、抗疲勞性能好、耐熱性能優良、比重輕、減震性能好等特性，在航空、航天、汽車、船舶、紡織機械、石油化工、建筑和體育器材等領域應用廣泛，如在民用飛機B757、B767、B777、A300、A340上，復合材料用量已占飛機全部用料的11％～20％；商用飛機B787上大量使用碳纖維增強復合材料(CFRP)，已占飛機體積的11％，占結構件重量的50％。空客A380上的機身、機翼板用大量的復合材料制造；武裝直升飛機AH-60、NH-90、V-22，從整流罩、地板、壁板等次承力結構到旋翼框架等主承力結構上都使用復合材料，且高達飛機重量的50％。

隨著先進制造技術的不斷發展，碳纖維復合材料作為一種不可替代的功能材料，將發揮越來越重的作用。但是由于碳纖維復合材料是由質軟而粘性大的基體和強度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結構，其力學性能呈各向異性，機械加工條件比較惡劣，是典型的難加工材料。該材料切削加工的主要特點：(1)材料產生分層破壞；(2)刀具磨損嚴重，耐用度低；(3)切削溫度高，降低材料性能。因此，在切削加工此類復合材料時，刀具壽命較短依然是個難題，限制了復合材料的應用。

我國復合材料制造刀具剛剛起步，主要研究集中在PCD金剛石刀具加工碳纖維復合材料。例如，中國已公開專利CN102172823A公開一種用于加工碳纖維增強塑料的多刃PCD銑刀及其制造方法，該PCD銑刀由硬質合金或鋼制刀體(含排屑槽和刀片槽)和焊接在刀片槽上的若干個PCD刀片組成。這種刀具加工碳纖維增強塑料復合材料能得到比傳統的涂層硬質合金刀具和涂層高速鋼刀具更高的加工精度，更長的刀具壽命，更低的表面粗糙度和毛刺，更高的切削速度和加工效率。但是其PCD金剛石刀具因為幾何外形加工上的限制，難以做成稍復雜形成，且其較高的生產成本，限制了其使用范圍，不能完全滿足復合材料加工的需求。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種復合材料加工用金剛石涂層刀具及其制備方法，通過對金剛石涂層結構的改進，既克服了加工復合材料的刀具易磨損難題，又保證了復合材料的表面加工質量。

本發明解決其技術難題所采取的技術方案是：一種復合材料加工用金剛石涂層刀具，包括基體和在基體上的具有高硬度、低摩擦系數及低磨損特征的金剛石涂層；所述金剛石涂層為亞微晶金剛石涂層與超細納米晶金剛石涂層復合而成的多層結構涂層，且金剛石涂層的表面為超細納米晶金剛石涂層。

所述基體由硬質合金材料、金屬陶瓷材料、陶瓷材料、基于立方氮化硼的材料或高速鋼材料制作而成。

所述金剛石涂層是由亞微晶金剛石涂層與超細納米晶金剛石涂層交替層疊復合而成的多層結構涂層。

所述金剛石涂層的總厚度為2～50um。

所述金剛石涂層為至少2層，包括亞微晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層。

所述亞微晶金剛石涂層的厚度為0.1～50um。

所述超細納米晶金剛石涂層的厚度為0.01～50um。

所述亞微晶金剛石涂層的的亞微晶平均晶粒大小為0.5～10um。

所述超細納米晶金剛石涂層的超細納米晶平均晶粒大小為0.01～0.5um。

一種復合材料加工用金剛石涂層刀具的制備方法，是在預處理過的基體上采用熱絲CVD方法或微波等離子方法沉積高硬度、低摩擦系數及低磨損的金剛石涂層；所述金剛石涂層是在下列條件下通過含碳氣體的反應來生成：

反應氣體有碳氫化合物、氫氣；

碳源濃度為0.1％～10％；

總壓力為0.5mbar～100mbar；

基體溫度為700℃～1000℃。

所述反應氣體還包括氧氣和氬氣。

所述基體預處理采用酸溶液腐蝕法，預處理過的基體表面鈷含量為3％及以下。

所述基體預處理采用過渡層法，該過渡層由W、Cr、Ti、Zr、Si或其他可形成碳化物的金屬或其混合物構成。