CVD金剛石在齒輪磨齒機(jī)中的應(yīng)用探究

王士虎，蘭 輝 ，王焱鉑,柴 斌

(秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞 721009)

1 CVD的主要制造方法

CVD(化學(xué)氣相沉積金剛石)與高溫高壓(HTHP)金剛石相比，無金屬催化劑，它的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度接近天然金剛石。與高溫高壓人工合成聚晶金剛石(PCD)一樣， CVD 金剛石晶粒也呈無序排列，無脆性解理面，因此呈現(xiàn)各向同性。金剛石的高硬度、高耐磨性使得金剛石薄膜成為極佳的工具材料，CVD金剛石現(xiàn)在亦被用為刀具材料的一種。

作為工具材料，CVD金剛石有多種不同的應(yīng)用形式。第一種形式是將CVD金剛石切割、研磨，并焊接到工具的端部。由于這種釬焊強(qiáng)度遠(yuǎn)低于 PCD 材料金剛石層與硬質(zhì)合金之間的結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)它應(yīng)用于斷續(xù)切削時，其界面的連接就顯得很脆弱。若能夠解決 CVD 金剛石的釬焊問題，那么 CVD 金剛石刀具材料將能夠在整個機(jī)械加工領(lǐng)域同 PCD 材料競爭。這種刀具材料與 PCD 相比，具有熱穩(wěn)定性好、工具使用壽命長的優(yōu)點。缺點是晶粒間的內(nèi)聚強(qiáng)度低，材料表現(xiàn)出較大的內(nèi)應(yīng)力和脆性。另外，由于 CVD 金剛石缺乏導(dǎo)電性，阻礙了該材料對電火花切割和拋光加工技術(shù)的應(yīng)用。第二種形式是通過粉末冶金(燒結(jié)法)或電鍍的方法，把CVD金剛石膜片固定在基體上，通過這樣的方法CVD金剛石和基體之間能獲得相當(dāng)牢固的結(jié)合，不至于在使用中掉落。這種工藝主要應(yīng)用于磨輪、滾輪。第三種形式是將CVD金剛石膜直接沉積到工具表面上，薄膜厚度較薄，主要用于金屬切削工具。相比于一般的金屬切削刀具，此種刀具具有切削效率高、切削工件表面光潔度較好的優(yōu)點。這種方法也有不足：沉積的薄膜對襯底材料的附著力不容易提高[1]。

CVD金剛石的制備有三種典型的方法：

1.1 大面積的熱絲直流等離子體 (HFCVD) 制備方法

熱絲CVD法是將氫氣和甲烷、乙炔等碳?xì)浠衔锇匆欢ū壤旌贤ㄈ敕磻?yīng)腔體內(nèi)，流經(jīng)電加熱至2000℃以上的熱絲，在其表面和附近被高溫分解成原子氫和多種碳?xì)浠鶊F(tuán)，隨后發(fā)生復(fù)雜的吸附與解吸附反應(yīng)，之后在合適溫度(700℃～1000℃)的基底表面成核、生長，形成金剛石涂層。

(1)優(yōu)點 熱絲法的優(yōu)點在于其制備成本低、裝置簡單、易實現(xiàn)大面積沉積、工藝控制性好。

(2)缺點 熱絲法的缺點是合成速度較慢，約為1～2μm/h，氣體離化率較低，金剛石膜的生長質(zhì)量不是很高，且容易帶來金屬污染。

1.2 大功率(60～100kW)微波(MPCVD)制備方法

微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)是將一定直徑的石英管或不銹鋼諧振腔作為反應(yīng)腔，微波從波導(dǎo)管經(jīng)過，進(jìn)入反應(yīng)腔內(nèi)，會產(chǎn)生一個反應(yīng)很強(qiáng)的交變電場，氣體在交變電場的激勵下被激發(fā)形成等離子體，氫氣和甲烷受到激發(fā)形成具有很高活性的化學(xué)活性基團(tuán)，擴(kuò)散至合適的基底表面后，沉積出金剛石涂層。

(1)優(yōu)點 微波等離子體是一種無電極放電的等離子體激發(fā)方式，即它產(chǎn)生的等離子體很純凈，可避免電極和反應(yīng)器壁帶來的污染，微波等離子體能量密度及電子溫度相當(dāng)高，可得到很高的原子氫濃度，而且微波放電特別穩(wěn)定，因此該法沉積獲得的金剛石涂層質(zhì)量相對較高。

(2)缺點 該沉積法突出的缺點是制備效率低，設(shè)備價格昂貴，制備成本偏高，不易擴(kuò)大MPCVD金剛石膜的沉積面積。

1.3 直流電弧等離子體噴射 (DC Arc plasma jet CVD) 制備方法

該制備法是在電路正負(fù)兩極間通入一定的直流電壓，在正負(fù)兩極間流動的氣體被放電擊穿，從而點燃電弧。電弧將氣體迅速加熱至特別高的溫度，氣體急劇膨脹，從噴口高速噴射出高溫的等離子體射流。基底必須通過水來強(qiáng)制冷卻，一般放在等離子體炬的下方。通常都將氫氣、氬氣和甲烷混合作為沉積的原料氣體。其中氫氣和甲烷是金剛石涂層沉積常用的原料氣體，氬氣則被用來點燃電弧并維持電弧的放電。

(1)優(yōu)點

這是一種典型的高速沉積方法，保持著迄今為止的快速沉積速率930 μm/h。等離子體的離化很充分，能提供非常高的原子氫濃度，因此能夠兼顧沉積速率和金剛石涂層的質(zhì)量，被認(rèn)為是工業(yè)化應(yīng)用前景非常光明的金剛石膜制備技術(shù)。

(2)缺點

但是該制備法對于氣體和電力的消耗量非常大，導(dǎo)致制備成本高，需通過氣體循環(huán)和減少電力消耗降低成本，才能在市場上更具競爭力[2]。

三種制造工藝生產(chǎn)的CVD金剛石，質(zhì)量等級順序為：微波工藝>直流電弧工藝>熱絲工藝，成本則反之。近年以來，隨著熱絲工藝經(jīng)過改進(jìn)，新型熱絲工藝生產(chǎn)的CVD金剛石機(jī)械性能接近電弧工藝生產(chǎn)的CVD金剛石[3]。

表1 室溫下天然金剛石及CVD金剛石膜的主要性能Table 1 Main properties of natural diamond and CVD diamond films at room temperature

2 CVD金剛石在蝸桿磨齒機(jī)金剛滾輪中的應(yīng)用

蝸桿磨齒機(jī)作為直齒、斜齒圓柱齒輪的連續(xù)展成磨削機(jī)床，適用于批量化、專業(yè)化的齒輪加工生產(chǎn)。基本過程是使用金剛滾輪修整蝸桿砂輪，再使用蝸桿砂輪磨削齒輪。磨削過程對金剛滾輪的精度、壽命都有較高的要求。

蝸桿砂輪磨齒機(jī)磨削齒輪的原理，相當(dāng)于一對螺旋齒輪的嚙合原理。蝸桿砂輪實質(zhì)上可以看成是一個齒數(shù)很少(單頭砂輪齒數(shù)等于 1)的螺旋齒輪。因為它的齒數(shù)少，螺旋角很大并且輪齒很長，可以繞軸線很多圈，所以形成一個漸開線蝸桿，其法向基節(jié)等于所磨齒輪的法向基節(jié)[4]。蝸桿砂輪與齒輪的嚙合，被看作是加工齒輪與蝸桿砂輪沿法向剖面所形成的假想齒條的嚙合，如圖1所示。

圖1 蝸桿砂輪與齒輪的嚙合Fig.1 The engagement of worm grinding wheel and gear

蝸桿砂輪磨齒過程中，砂輪型面不斷被磨損，一般由于砂輪磨料種類、結(jié)合劑、磨料濃度和被磨齒輪的差異，磨削齒輪十幾件到幾十件不等，就需要修整蝸桿砂輪。修整蝸桿砂輪需要用蝸桿金剛石滾輪。蝸桿金剛石滾輪是蝸桿磨齒機(jī)的核心部件，跟據(jù)被磨削齒輪的具體要求，諸如標(biāo)準(zhǔn)漸開線、鼓形齒、倒角齒等，金剛石滾輪需要設(shè)計和被加工成相對應(yīng)的形狀。圖2所示為常見適用于不同型號磨齒機(jī)的金剛石滾輪形狀。其外圓部位是滾輪的易損部位，齒輪模數(shù)從0.5mm～10mm，滾輪的外圓部位厚度0.35～5mm不等。

圖2 蝸桿磨齒機(jī)滾輪Fig.2 The roller of worm wheel gear grinding machine

譬如模數(shù)為m=0.5mm的標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱齒輪，其需要的滾輪外圓厚度只有0.35mm，這樣的尺寸，對傳統(tǒng)的電鍍或者燒結(jié)工藝金剛石滾輪的使用壽命來說都是巨大的挑戰(zhàn)。通過燒結(jié)工藝或是電鍍工藝把CVD金剛石嵌入并固定于滾輪外圓，則可大大加強(qiáng)滾輪薄弱環(huán)節(jié)，成倍增加滾輪壽命。現(xiàn)在市場主流的蝸桿砂輪磨齒機(jī)用滾輪，都采用尖部(外圓)鑲CVD金剛石工藝。圖3為蝸桿滾輪鑲嵌CVD金剛石的形貌。

圖3 鑲嵌CVD金剛石的滾輪形貌Fig.3 The shape of roller with CVD diamond

此種滾輪，一般選用直流電弧等離子體噴射CVD和熱絲工藝CVD金剛石，微波等離子體CVD金剛石由于價格過于昂貴，在直流電弧等離子體噴射CVD和熱絲工藝CVD金剛石能滿足滾輪需求的情況下，一般不選用微波等離子體CVD金剛石。CVD金剛石厚度一般從0.5mm～1.2mm不等，根據(jù)滾輪的要求激光切割成需要的形狀。

鑲嵌CVD金剛石和HPHT金剛石相互支撐，使?jié)L輪外圓部位和斜面部位的強(qiáng)度得到了很好的發(fā)揮。

3 CVD金剛石在成型磨齒機(jī)金剛滾輪中的應(yīng)用

按成形法加工的成形砂輪磨齒機(jī)的砂輪由成形砂輪修整器在軸向剖面內(nèi)修成齒形，砂輪架可作垂直方向進(jìn)給。被磨齒輪由分度架和尾座支承，通過工作臺作縱向往復(fù)運動以磨出齒面，每磨一齒后進(jìn)行分度。在磨斜齒輪的機(jī)床上，砂輪可按工件螺旋角轉(zhuǎn)一角度，工件能在往復(fù)運動的同時得到附加轉(zhuǎn)動[5]。如機(jī)床砂輪架能使砂輪進(jìn)入內(nèi)齒輪工件中，便可磨削內(nèi)齒輪。成形砂輪磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，效率高，精度可達(dá)5級，適用于成批生產(chǎn),對齒數(shù)少(例如少于17個)的齒輪尤為合適

成型磨齒機(jī)滾輪一般采用燒結(jié)工藝和電鍍工藝制造，早年的成型磨齒機(jī)滾輪無CVD金剛石加強(qiáng)，邊緣(圓弧)部位只有HTHP金剛石顆粒，滾輪使用過程中曲線磨損較快。通過鑲嵌CVD金剛石工藝加強(qiáng)后，滾輪曲線保型性大大加強(qiáng)。

圖4 成型磨齒機(jī)滾輪形狀Fig.4 The roller of gear profile grinding machine

圖5 成型滾輪修砂輪過程Fig.5 The grinding wheel dressing process with forming roller

4 CVD金剛石在其他滾輪中的應(yīng)用

隨著成型磨削的迅速發(fā)展和成型磨削砂輪的廣泛應(yīng)用，在曲軸、活塞環(huán)溝槽、軸承、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)、液壓閥件等的磨削中得到了廣泛使用。為使砂輪型面在使用過程中經(jīng)常保持原有精度，對修整工具提出了越來越高的要求。以往用單點式修整筆對砂輪進(jìn)行縱向進(jìn)給式修整，精度差，效率低[6]。成型金剛石滾輪可以做成與成型磨削砂輪相吻合的復(fù)雜型面、小的角度、嚴(yán)格的半徑，實現(xiàn)對砂輪的高速高精修整。

成型磨削滾輪在磨削砂輪過程中，尖棱部位是其薄弱點。同樣可以采用鑲CVD金剛石的工藝來加強(qiáng)，這大大地提高了滾輪的使用壽命。圖6所示CVD金剛石應(yīng)用于成型滾輪，圖7為成型滾輪修整過程示意圖。

圖6 CVD金剛石用于成型滾輪Fig.6 CVD diamond applied in form grinding

圖7 成型滾輪修整過程示意圖Fig.7 The diagram of form grinding process

5 結(jié)論

CVD金剛石在齒輪磨床滾輪中的應(yīng)用，顯示了新材料對機(jī)床工具行業(yè)巨大的推動作用。提示我們要重視基礎(chǔ)材料的研究和應(yīng)用，不斷優(yōu)化提升超硬工具性能。(1)在蝸桿砂輪磨齒機(jī)和成型磨齒機(jī)領(lǐng)域，所使用的金剛石滾輪絕大部分要求鑲嵌CVD，無論是燒結(jié)工藝還是電鍍工藝，要求CVD金剛石與滾輪基體有較好的結(jié)合力，與HTHP金剛石有較好的匹配，能達(dá)到滾輪的最大壽命。鑒于CVD金剛石價格較高，優(yōu)化CVD金剛石形狀設(shè)計和數(shù)量匹配是CVD使用的重點。(2)在磨齒機(jī)之外的其他滾輪應(yīng)用領(lǐng)域，CVD金剛石也得到了越來越多的應(yīng)用，對滾輪尖角等薄弱易損部位有很好的強(qiáng)化作用。

在超硬工具領(lǐng)域，CVD金剛石與傳統(tǒng)的工藝相結(jié)合，以其獨特的性能，助力超硬產(chǎn)品走向高端并升級換代發(fā)揮著越來越突出的作用。