微型刀具涂层技术应用 令广大研究学者关注

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由于切削刀具的涂层有益于宏观尺寸的加工，因此人们可能有理由推论，刀具涂层也会有利于微小尺寸加工。如果能合理应用涂层，且涂层厚度足够薄，不会钝化微切削刃，可能某些研究人员会同意这种观点。然而，这些研究人员尚未最后确定微型刀具涂层是否有利于加工，以及涂层的最佳方式。

为了了解如何更有效地对微型刀具进行涂层，一些大学正在开展相关研究。本文是大学的一些研究成果，包括在微型刀具上沉积金刚石和其它涂层、确定首选的涂层方法，以及研究不同工件材料对涂层刀具的反应。

应用日益增多的金刚石涂层

对金刚石涂层的挑战之一是涂层与刀具表面的粘附性能。由威斯康星大学麦迪逊分校、宾夕法尼亚大学和阿贡国家实验室的研究人员组成的研究团队在微型立铣刀上沉积了一层过渡层，以增强金刚石的粘附性能，并用由氢氟酸、硝酸和去离子水组成的溶液对300µm的双槽微型立铣刀进行了蚀刻试验。据威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介绍，该试验的目的之一是在硬质合金基体与金刚石涂层之间创建一种机械连结。

Pfefferkorn和宾州大学机械工程和应用力学系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大学麦迪逊分校时曾致力于金刚石涂层的研究)及其研究生和合作伙伴在篇题为“金刚石涂层微型立铣刀：能对铝件进行微尺寸于切削”的论文中指出钴结合剂可以增强刀具的韧性，但会削弱金刚石涂层与基体之间的结合强度，并通过限制晶核形成而抑制金刚石的生长。Pfefferkorn表示，“从基体表面去除钻的主要原因是它会妨碍金刚石生长。”

去钴处理时，需要有选择地蚀刻掉最适当的含钴量，而不会过分削弱本身已很纤细的微型刀具为了防止去除太多的钻并影响刀具的完整性，刀具的含钴量(重量比)必须不超过6%～8%。Pfefferkorn说，“我们将很薄的表层中的钴全部蚀刻掉，以防止它影响金刚石的生长过程。我们通过控制蚀刻深度，使其对刀具完整性的影响降至最小。”

该论文指出，威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队在完成蚀刻后进行了引晶操作：在丙酮中利用超声波处理，用纳米金刚石粉在基体上沉积金刚石微粒。引种的晶粒起到了定位作用，金刚石在该处开始生长(即形核)。纳米金刚石粉结块会导致引晶不均匀，并造成金刚石的生长不均匀，因此，研究人员采用在酒精溶液中进行超声波清洗的方法，以确保去除大的晶粒团块，从而实现均匀引晶。

然后，采用该研究团队自行设计和制造的热丝化学气相沉积系统，在刀具上生长出了纳米晶粒和细颗粒金刚石(Carpick确认，纳米晶粒金刚石的粒度为10～100µm，细颗粒金刚石的粒度大于100nm，小于300nm)。该沉积系统包括一个沉积室，其中，温度至少保持在1800℃的钨丝周围充满保护气体(特别是在氢气中稀释过的甲烷)。

沉积得到的涂层厚度约为60～200µm。普通刀具的金刚石涂层厚度为2µm或更厚，而这对于微型刀具而言太厚了，因为未涂层微型刀具的切削刃半径常常不到1µm。Carpick说，“用于大尺度刀具的涂层厚度完全不适合用于微型刀具，它将使刀具钝化，并因此大大降低其切削性能”。