给刀具模具穿上钻石外衣

翠花

　　分类号：BJ84科技日报/2001年/10月/25日/第00 7版/解读高科技给刀具模具穿上钻石外衣纳米金刚石复合涂层技术上海交通大学微电子所教授张志明在机器设备的制造过程中，刀具和模具的应用是极为频繁的，提高刀具和模具的工作寿命，就可以有效地节约成本，提高劳动生产率，并降低操作工人的劳动强度。那么，采用什么办法来改善刀具和模具的性能是最简单、最有效的呢，科学家和工程技术人员首先想到的是涂层技术，也就是说，以原有的刀具或模具为衬底，涂覆上一层坚硬耐磨、摩擦系数小的涂层，就可以收到事半功倍的效果了。在各种涂层中，最令人向往的自然是金刚石（钻石）涂层了。如果能披上神奇的钻石外衣，则刀具和模具的功能就能更上几层楼了。　　天然金刚石（钻石）是极为珍贵的宝石，在人们眼里它闪烁的亮光常常是地位和财富的象征。但是金刚石还有许多优异的物理和化学性能鲜为人知：它硬度最高，导热性能最好，还具有优良的光学性能，不仅能透过紫外光、可见光、红外光，还能透过X光和微波；金刚石的化学稳定性极佳，在室温时几乎能耐一切化学试剂；本征金刚石是良好的绝缘体而搀杂后的金刚石是一种优异的半导体材料，具有快速、耐高温、抗辐射等特点。此外，金刚石还具有声波传输速度快，摩擦系数小等等优点。因此，金刚石已在石油、地质、光学、机械工合成的金刚石都呈颗粒状，几何尺寸都比较小，一般在数毫米以内，这就限制了它的许多应用。自从20世纪80年代迅速发展起来的化学气相沉积法（简称CVD法）得到广泛应用以来，这一问题便迎刃而解了。用这种方法能得到大面积的金刚石多晶薄膜（目前最大面积为600X 300毫米），这就大大开拓了金刚石的许多新应用。其中涂层刀具和涂层模具就是其中最重要的应用之一，也是最容易实现产业化的应用。　　一个也不能少化学气相法沉积金刚石薄膜过程，是在真空中完成的。它以氢气、甲烷（或乙醇、丙酮）等气体为原料，在热灯丝或等离子体激活下产生许多活性氢原子和含碳基团。在合适的衬底温度下（700*1000*C），由于氢原子的帮助，这些含碳基团以金刚石结构沉积在衬底（刀具和模具）的表面，形成金刚石涂层，而生成的石墨成价则被氢原子气化变成甲烷气体了。这层金刚石涂层就好比是一副好鞍，那么好鞍也要配良驹。为了能得到神奇的钻石涂层，衬底也要选择，一般要用钨钢（碳化钨硬质合金）或陶瓷（碳化硅或氮化硅）等耐高温材料。　　CVD金刚石涂层技术最初的应用研究就是制备涂层刀具。早在十多年前，日本旭金刚石公司就试制了硬质合金为衬底的涂层刀具。在此以后，日本的三菱金属、不二越、住友电气、美国的通用和福特汽车公司、英国的Debeers、瑞典的Sandwik公司等都相继开发了CVD金刚石刀具，并有相应的商品出售，其中不二越公司的涂层钻头和立铣刀已形成了系列产品，美国的ART公司、SP3公司也都有系列的涂层刀具制品。　　目前，国际上对金刚石涂层刀具的研究主要集中在以下几个方面：继续提高涂层附着力和附着力评价的研究；涂层刀具在切削（包括车、铣、钻）铝硅合金、金属基复合材料、玻璃纤维或碳纤维的聚合物的层压制品（GFRP或CFRP）等方面的评价；发展涂层技术的新应用，如制备涂层拉丝模、制备微型涂层钻头（直径小于1毫米用于印刷线路板或微机电系统MEMS的钻孔），以及木工刀具等。国内情况基本类似，至少有十几家大学、研究所和企业在从事这方面的研究，主要是跟踪国外技术，总体水平难免要落后一些。　　但是，由于聚晶金刚石（简称PCD）刀具和高性能硬质合金刀具的应用技术已十分成熟，留给涂层刀具的市场占有份额极为有限，加上涂层刀具处于应用初期，性能还不稳定。　　因此，涂层刀具仍然没有实现大规模生产和取得丰厚的经济效益。　　一般说来，由于金刚石表面能很高，常规CVD涂层表面往往是高低凹凸不平，这对使用很不利，需要经过研磨抛光处理。但由于金刚石是世界上最硬的物质，对其涂层的抛光是十分困难的。那么有什么好办法呢，我国上海交通大学课题组在8 63新材料领域的资助下，经过数年的努力，不仅在提高涂层附着力、附着力评价、涂层刀具切削试验和生产线上的实际应用试验等方面取得突破性进展，达到了国际先进水平，而且根据中国的国情在金刚石涂层拉丝模（或其他模具）的研究等方面有自己的特色和创新。他们先在工具或磨具的衬底上沉积一层常规金刚石涂层（其硬度与天然金刚石相同），然后原位继续沉积纳米金刚石涂层以组成复合涂层。纳米涂层的晶粒大小约为50纳米，即为常规涂层的50分之一，因此，表面显得平整光滑。同时由于纳米效应，涂层表面的硬度有些降低，这非常有利于涂层的研磨抛光。纳米金刚石复合涂层既具有常规涂层附着力强、耐磨等优点，又具有纳米涂层的表面平整光滑、摩擦系数小、易抛光等优点。利用常规的高速线抛光、超声波抛光和平面研磨抛光等技术，可以使涂层表面达到镜面程度。他们采用的穿扎直拉CVD方法，制备较大口径（3mm）高性能价格比的涂层拉丝模（或其他模具），其工作寿命比硬质合金高10倍左右；其中纳米金刚石复合涂层定径套比原先的氟塑料定径套提高工作寿命上百倍以上，免除了繁杂的换模时间，大大提高了劳动生产力和产品质量，降低了操作工人的劳动强度。我们研制了专用的拉丝模涂覆装置，为金刚石涂层拉丝模的产业化生产奠定了基础。目前涂层拉丝模在国际上基本是个空白，我“们研制的该产品性能稳定，效果显著，容易被市场所接受。目前正在完善工艺、设备、检测等，并积极开拓市场，已形成具有自主知识产权的高科技产业，提高我国模具行业在国际上的竞争力。