CVD金剛石復合涂層分析及其在石墨刀中的應用

唐 海

（上海乾瑾新材料科技有限公司，上海201209）

0 引言

石墨材料因其良好的可加工性和良好的放電綜合性能，在模具的電極中越來越多地代替紫銅材料，其應用也越來越多。石墨材料因其特殊性，對于加工所使用的刀具有著特殊的耐磨性要求。

金剛石是自然界中最硬的物質，而CVD金剛石涂層刀具是目前能夠量產的最硬的刀具，被普遍認為是石墨材料加工的最理想刀具。近年來，隨著生產需求不斷增加，模具行業也有了專業的石墨刀（帶CVD金剛石涂層的硬質合金刀具）的概念，但能夠量產的核心技術一直由GCT、范霍恩、巴爾扎斯、OSG、SP3等國外企業所掌控，國內在CVD金剛石涂層石墨刀的研究上已經有所突破，但量產的實際工藝成型還需要更進一步的研究。

常規形態的金剛石涂層刀具目前在國內模具行業有所應用和發展，石墨刀具，包括銑刀、鉆頭、刀片等在石墨電極模具、石墨載體、石墨構件等的加工中有著較為廣泛的應用。最近一兩年來，手機等其他電子產品行業中，曲面屏（2.5D曲面屏，3D曲面屏）的設計及應用日趨成熟。隨著石墨熱成型模具加工要求的提高，石墨刀本身也要有所突破，如提高和改良表面的涂層狀況。

本研究在石墨刀的涂層生產中，通過調整不同的涂層生產參數，得到了具有綜合特性的復合涂層，在實際的加工生產中得以驗證，使石墨熱成型模具的加工中表面光潔度以及刀具使用壽命等問題得以改善，以此提升了涂層石墨刀的整體性能，并達到國外同類刀具產品的技術水平。

1 設備及工藝

1.1 設備及工藝簡介

熱絲化學氣相沉積法（HFCVD）是目前應用較多的方法，需要涂層的刀具在真空腔內豎直排列，刀具上方按刀具的規格及數量布置高溫熱絲，以分解含碳氣體，形成活性碳原子，在一定的溫度和壓力條件下，通過對刀體表面的撞擊，在刀體表面發生化學反應，沉積結晶出固態金剛石并凝結成金剛石膜。

主要工藝過程如下：合金材料表面WC和Co的去除→合理安排刀具的擺放位置→設置真空室的反應條件→涂層生產。

因金剛石的沉積速度緩慢，單一生產循環周期較長（10～15h），需要在涂層生產過程中定期檢測和調整各反應條件，以得到最合理的金剛石沉積膜。

目前穩定量產的石墨刀包括鉆頭、銑刀、刀片等，其中以銑刀的應用最為廣泛，刀具直徑也可以做到涵蓋0.3～16mm的不同規格。

1.2 CVD金剛石沉積形態

金剛石的氣相沉積結構形態通常有三種：棱形、柱形以及球棱形ballas組合形態。

（1）常態普通涂層。根據在現有的石墨材料加工實際生產應用中的經驗，具有棱形形態涂層的石墨刀耐磨性最好，使用壽命較長，這也是常態金剛石涂層石墨刀較為普遍采用的涂層方式。但其表面相對粗糙，刃口易形成交叉顆粒，在使用中磨損不均勻，造成表面加工質量的下降。隨著涂層厚度的增加，金剛石顆粒增大，受結膜應力等的影響，會有涂層剝落的趨勢。

（2）復合涂層。在涂層初期用常規（棱形）涂層做基底，然后改變涂層反應條件得到ballas（半剛石，菜花狀金剛石）結構（納米金剛石也為ballas結構的一種）并凝結成膜，將常規金剛石和納米金剛石有機結合起來形成復合涂層。復合涂層既和石墨刀本體有著較強的結合力，也有著較高的表面平整度，改善了純納米金剛石膜的強度和耐磨性。

通過對比，在刀具的使用中，復合涂層石墨刀和所加工的石墨材料間的摩擦力進一步減少，因而能降低刀具的磨損，并得到較高的表面加工高質量，在使用中也基本不會剝落，大幅度提升了刀具的使用壽命。

2 CVD金剛石復合涂層的制備方法

2.1 制備復合金剛石涂層的主要流程

復合涂層制備的工藝工程與普通涂層基本一致，但在涂層的過程中需要分步控制：

（1）真空腔體中充入甲烷和氫氣的混合氣體（體積比2%～5%），壓力設置為3～5kPa開始涂層；

（2）常規涂層段，保持刀體溫度700℃以上（通過熱絲功率控制），涂層時間3～5h；

（3）低壓納米涂層段，降低真空腔壓力（低于2kPa），涂層時間5～7h。

2.2 各主要參數對涂層的影響

（1）刀體材料：不同基材與金剛石膜的結合力不同，參考德國GCT公司的研究，采用WC顆粒較大和Co含量較低的硬質合金材料利于涂層的沉積，國內典型的適合金剛石涂層的材料有YG6X和K100L等。

（2）混合氣源濃度：混合氣體中碳源的濃度對涂層的影響較大，隨著碳源濃度比例增加，金剛石沉積的形態有由棱形、柱形到球棱形ballas復合態變化的趨勢。

（3）氣體壓力：在一定范圍內，壓力越低，沉積的金剛石顆粒越細小。

（4）反應溫度：反應溫度對金剛石薄膜的生長影響非常大。隨著溫度的升高，沉積速率也升高。當溫度超過一定值時，會促使沉積過程向常規模式轉變。

涂層條件因素對涂層的主要影響如圖1所示。

3 復合涂層石墨刀的使用驗證

對于采用復合涂層刀具的實際使用效果做了三個階段的測試和驗證。

第一階段是廠內加工測試，按測試結果調整涂層參數，以達到刀具加工效果和使用壽命的相對穩定。

第二階段的測試是在模具加工廠的實地驗證，通過較長時間的刀具實際加工使用，對不同規格刀具的涂層數據做進一步的優化和調整。

此切削驗證過程與真實的加工狀況基本一致，經驗證，采用復合涂層的不同批次、不同規格的刀具磨損狀況基本穩定，拋磨階段發生在1～2h內，后期的磨損狀況不明顯，6h后的總磨損（直徑變化）不超過0.01mm，未出現刀刃崩口等情況。電極外表面的加工品質明顯好于采用常規涂層（普通粗顆粒金剛石膜）的石墨刀加工情況。

第三階段為加工廠實際應用。

經過加工模擬測試后，我們陸續推出了復合涂層的石墨刀具，并先后驗證和推出了從D0.3到D16的不同規格的復合涂層石墨刀具，逐步替換原有的常規大顆粒涂層方式，在客戶的實際使用中得到了普遍的肯定和好評。

復合涂層的石墨刀明顯改善了石墨件加工表面質量，刀具使用壽命也比普通涂層提高了40%以上，大大降低了刀具使用成本，受到客戶的高度認可。

當前采用CVD金剛石復合涂層的技術條件已基本穩定，應用該技術的公司已形成月產銷刀具5000支以上的量產水平。

4 結語

在石墨刀的CVD金剛石涂層制備過程中，通過改變沉積過程中的反應壓力和碳源的濃度等不同反應條件和參數，可以有效控制金剛石的沉積形態，從而在刀具的表面形成金剛石的常規形態和微米、納米復合形態的薄膜。在石墨電極及石墨熱成型模具的加工中使用具有CVD金剛石復合涂層的石墨刀，可以顯著改善所加工零件的表面質量，提高刀具的耐用度，從而提高工廠產能，節約加工成本，為工廠帶來更大的經濟效益。因此，CVD金剛石復合涂層石墨刀適合在石墨材料的加工領域做更大規模的應用和推廣。

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