專利名稱：一種金剛石鍍膜刀具的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種刀具的制造方法，更具體涉及一種金剛石鍍膜刀具的制造方法。
背景技術：
金剛石，由于它硬度高、耐磨損，在工業上被廣泛地用來制造各種工具和刀具。制造金剛石工具和刀具的傳統方法是將顆粒狀(包括微粉)天然金剛石和人造金剛石粘合(如金剛石樹脂砂輪，金剛石青銅砂輪)或燒結(金剛石燒結體或聚晶)加工制成所需要的工具和刀具。用電鍍方法(如埋沙法，參考《工具技術》，1985年，第4期)可生產電鍍金剛石刀具，它是將經除油、活化后的工件直接放在鍍液槽中，埋以金剛石顆粒，以很小的電流密度(約100A/m2)上砂，上砂后的工件在無金剛石顆粒包圍的狀態下電鍍加厚，直至成品狀。實施上砂時，不能攪拌鍍液，要避免任何人為的外力干擾，電鍍過程中產生的氫氣泡也只能靠鍍液對其產生的浮力離開工件的被鍍面，為此上砂的電流密度必須很小且均勻，否則會因鍍液組份補充不及時或氫氣泡排出不及時，而導致“堵塞”或鍍層質量惡化。由于上述步驟速度很慢，尤其在需要鍍多層金剛石的場合，效率低，而且需要反復地埋砂和加厚，操作較繁瑣，給鍍層的質量控制帶來不便。
自20世紀50年代發明制造金剛石薄膜的化學氣相沉積(CVD)法以來，人們就想到利用它來制造金剛石工具和刀具，特別是開發精加工和超精加工的金剛石刀具。
目前，金剛石薄膜的生長，主要是應用化學氣相沉積(CVD)法，包括熱絲CVD法，微波CVD法，磁微波CVD法，直流等離子噴射法，如參考文獻1、Matsumoto seiichiro et al，Growth of diamond particles frommethane-gydrogerl gas，J.Mster.Sci，1982，173106-3112.
2、Kamo Mutsukazu，Sato Yoichiro et al.，Diamond Symthesis form Gas phase inMicrowave Plasma，Jourmal ofCrystal Guowth，1983，62642.
3、Kawarada Hiroshi et al.，Lage Area Chemical Vapour Deposition of DiamondParticles and Films Using Magneto-Microwave Plasma，Jpn.J.Appl.Phys.，1987，26(6)1032。
利用這些方法制造金剛石工具和刀具包括兩種方式一種是在刀坯上直接涂覆金剛石薄膜，一種是先長成金剛石厚膜，然后切割和加工成所需刀頭形狀，焊接在刀體上。前一種方式主要需解決金剛石薄膜與刀具原坯(特別是刀刃)的粘結強度、成膜速度和成膜均勻度問題。后一種方式生產過程復雜，且不易做成復雜形狀的刀具。
發明內容
本發明的目的在于提供一種金剛石鍍膜刀具的制造方法，工藝穩定，操作方便，解決了金剛石與刀具基體的粘結度和成膜均勻的問題。
為了達到上述目的，本發明采用以下技術措施1、刀具原坯的預處理；2、等離子反應腔起弧條件；3、批量刀具鍍膜工藝。其特征是設計和制造了等離子反應腔，并設計兩對弧光放電電極，弧光電極材料為鎢棒和鎢鈰棒，電極結構為接觸式循環冷卻；設計加工了大功率直流穩流電源，它具有穩流和產生高壓脈沖雙重功能。采用雙路輸出，可同時帶兩路電弧負載大功率直流穩流電源，為雙路輸出大功率直流穩流電源設備，整個電源系統由穩流源和高頻高壓發生器兩大部分組成。穩流源由三相電源變壓器、可控硅全控橋、PID反饋調節電路、移相觸發脈沖電路及扼流圈組成。扼流圈使輸出電源更平穩，脈動小。高頻高壓發生器由升壓變壓器、放電間隙、充電電容、高壓變壓器組成。升壓變壓器將220V交流電壓升至700V，并向電容充電，通過火花間隙放電，產生高頻脈沖經高壓變壓器升至60kV。以擊穿弧電極間的氣體而形成電弧。最高電流可達50A，電壓700V，瞬間高壓可達60kV。保證了起弧和維弧的需要。陰極與陽極間的間距為40-50mm。金剛石鍍膜刀具所使用的工藝條件為弧光放電電極距為40-50mm，對含鈷的碳化鎢(WC)硬質合金刀具原坯預處理條件為用硝酸+冰乙酸(1∶1)液中浸泡10分鐘，去離子水洗凈，干后，用W5-W10的金剛石微粉加丙酮超聲波處理40-60分鐘，之后在于凈的丙酮中清洗20分鐘。化學氣相反應的原料氣體和保護氣體為CH4+H2+Ar，其中CH4/H2比例1％-2％(流量比)，氣體總量為2000-2800ml/min，反應壓力70-100Torr，弧光溫度4000-5000℃，襯底溫度800-1000℃，工作電壓180-200V，電流12-13A，鍍膜時間30-60min。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果工藝穩定，操作方便，穩定直接在硬質合金刀具上實現了金剛石鍍膜，并能批量生產。金剛石膜與刀具基體的粘結度達到了5-6kg/mm2，金剛石鍍膜機夾刀具對切削材料ADC12的切削速度達到218米/分，進尺速度0.1-0.2毫米/轉，切割深度為3.5毫米，使用壽命16小時。
圖1為直流穩流電源結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明其步驟是
刀具原胚材料為含鈷的碳化鎢(WC)硬質合金、刀具預處理，采用硝酸+冰乙酸(1∶1)液中浸泡10分鐘以除去刀具表面的鈷(Co)(因鈷對金剛石生長不利)，用去離子水洗凈，吹干，然后用人造金剛石微粉W5-W10加丙酮，超聲波處理40-60分鐘，之后在干凈的丙酮中清洗20分鐘。處理后的刀具表面有利于金剛石的成核。等離子體反應腔設置了兩對弧光放電電極，能形成雙弧光放電，擴大了弧光放電等離子體化學氣相反應的范圍和金剛石沉積面積，提高了反應腔的等離子體密度，使金剛石鍍膜刀具的批量生產成為可能。
根據圖1可知，具有雙路輸出的大功率直流穩流電源由穩流電源和高頻高壓發生器兩部分組成，穩流電源由整流變壓器30，三相全控整流橋31，PID調節控制電路32，移相觸發及脈沖形成電路33等部分構成。其特征是穩流電源的整流變壓器30分別與三相電源45和三相全控整流橋31連接，直流電流變送器LEM35分別與三相全控整流橋31、PID調節控制電路32和弧光電極20-1、21-1連接，移相觸發及脈沖形成電路33分別與PID調節控制電路32和三相全控整流橋31的可控硅37連接，電位器36與PID調節控制電路連接，高頻高壓發生器的升壓變壓器38分別與電源45和放電間隙39、充電電容40連接，并通過啟弧按鈕42與電源45接通，高壓變壓器41分別與充電電容40、火花放電間隙39和弧光電極20-1、21-1連接。整流變壓器采用Δ/Y接線，防止整流橋負載產生的諧波反饋至公用電網，整流橋采用三相全控整流，可控硅元件參數為1500V/50A，每個橋臂均設有阻容保護回路34，以抑制S.C.R.元件關斷時產生過電流。整流橋31輸出經L-C濾波回路及扼流線圈接至電極20-1，21-1。負載電流的大小通過直流電流變送器35(LEM)測量以后，與“電流預置”電位36進行比較，其差值經PID調節控制電路32運算、調節后形成移相控制電壓，通過移相觸發及脈沖形成環節去改變可控硅37導通角的大小，以調節整流橋輸出的直流電流，維持輸出電流在預置值。高頻高壓發生器由升壓變壓器38，放電間隙39，充電電容40，高壓變壓器41等組成。當短時按下啟弧按鈕42后，變壓器38將220V交流電壓升至700V，并向電容40充電，通過火花放電間隙39放電，產生高頻脈沖，經高壓變壓器41升至60kV，擊穿弧光電極20-1，21-1間隙，產生弧光放電，然后由直流整流穩流裝置維持直流電流，并穩定在電流預置值上。電極間電弧電流可通過“電流預置”電位器36進行調節。43，44為變壓整流電路，分別為移相觸發及脈沖形成電路33和直流電流變送器(LEM)35提供工作電源。
實驗所用氣體為高純度的氬氣、氫氣和甲烷氣。三種氣體均由質量流量計控制，以維持氣體壓力70-100Torr，直流電流12-13A，電壓180-200V，鍍膜時間30-60分鐘。詳見下表
表 金剛石鍍膜刀具中試工藝條件
權利要求
1.一種金剛石鍍膜刀具的制造方法，其特征在于A、設計兩對弧光放電電極，電極結構為接觸式循環冷卻；B、電源采用直流穩流電源，雙路輸出，最高電流50A，電壓700V，瞬間高壓60kV；C、對含鈷的碳化鎢硬質合金刀具原坯預處理用硝酸+冰乙酸1∶1液中浸泡10分鐘，去離子水洗凈，干后，用W5-W10的金剛石微粉加丙酮超聲波處理40-60分鐘，之后在干凈的丙酮中清洗20分鐘，原料氣體為CH4+H2+Ar，氣體總量為2000-2800ml/min，反應壓力70-100Torr，弧光溫度4000-5000℃，襯底溫度800-1000℃，工作電壓180-200V，電流12-13A，鍍膜時間30-60min。
2.根據權利要求1所述的一種金剛石鍍膜刀具的制造方法，其特征弧光放電電極距為40-50mm。
3.根據權利要求1所述的一種金剛石鍍膜刀具的制造方法，其特征在于直流穩流電源由穩流電源和高頻高壓發生器組成，穩流電源的整流變壓器(30)分別與三相電源(45)和三相全控整流橋(31)連接，直流電流變送器LEM(35)分別與三相全控整流橋(31)、PID調節控制電路(32)和弧光電極(20-1)、(21-1)連接，移相觸發及脈沖形成電路(33)分別與PID調節控制電路(32)和三相全控整流橋(31)的可控硅(37)連接，電位器(36)與PID調節控制電路連接，高頻高壓發生器的升壓變壓器(38)分別與電源(45)和放電間隙(39)、充電電容(40)連接，并通過啟弧按鈕(42)與電源(45)接通，高壓變壓器(41)分別與充電電容(40)、火花放電間隙(39)和弧光電極(20-1)、(21-1)連接。
4.根據權利要求1所述的一種金剛石鍍膜刀具的制造方法，其特征在于弧光電極材料為鎢棒和鎢鈰棒。
全文摘要
本發明公開了一種金剛石鍍膜刀具的制造方法，其特征是采用兩對弧光放電電極的弧光放電等離子化學氣相沉積，電極結構為接觸式循環冷卻，電源雙路輸出，對刀具原坯預處理用硝酸+冰乙酸液中浸泡，去離子水冼凈，干后，用金剛石微粉加丙酮超聲波處理，清洗，利于金剛石的成核。本發明工藝穩定，操作方便，金剛石膜與刀具基體的粘結強度達到5－6kg/mm
文檔編號C23C16/50GK1468973SQ0213880
公開日2004年1月21日 申請日期2002年7月18日 優先權日2002年7月18日
發明者傅慧芳, 劉順生, 顏恩濤, 張湘輝, 劉保華, 姚廣平 申請人:中國科學院長沙大地構造研究所