微米及纳米金刚石涂层扁钻的制备及其切削性能

目的研究微米金刚石薄膜(Microcrystalline diamond film,MCD film)和纳米金刚石薄膜(Nanocrystalline diamond film,NCD film)的微观组织结构和表面质量,以及由两种薄膜涂覆制成的微米金刚石涂层扁钻(MCD coated spade drill)和纳米金刚石涂层扁钻(NCD coated spade drill)在切削碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)时的切削性能。方法采用热丝化学气相沉积法在硬质合金扁钻上分别制备MCD薄膜和NCD薄膜。使用扫描电子显微镜观察金刚石薄膜的表面和横截面形貌,利用白光干涉表面轮廓仪测量薄膜的表面粗糙度值,使用拉曼光谱仪检测薄膜的结构成分,利用X射线衍射仪(XRD)检测薄膜的晶体结构和晶面取向,通过切削实验分析无涂层刀具和微、纳米涂层刀具的切削性能。结果制成的MCD和NCD薄膜涂覆均匀,两种薄膜的厚度都为8μm,晶面取向均以(111)面和(220)面为主。MCD薄膜晶粒棱角分明,平均晶粒尺寸为2~3μm,NCD薄膜的表面更光滑,平均晶粒尺寸为100 nm。MCD和NCD薄膜测定区域的表面粗糙度值分别为0.4μm和0.24μm。在相同的切削条件下,无涂层刀具钻削30个孔后,刀具已经达到了报废标准,不能继续使用。两种金刚石涂层刀具各钻削50个孔后,MCD和NCD涂层刀具后刀面的最大磨损量分别为0.192 mm和0.093 mm,均没有超过磨钝标准VB=0.2 mm(后刀面磨损带宽度),其中NCD涂层刀具的耐磨性最好。结论 MCD和NCD薄膜,尤其是NCD薄膜,能够有效地提高硬质合金刀具的耐磨性,延长刀具的使用寿命。