摘要:尋找更好的微型刀具涂層

由于切削刀具的涂層有益于宏觀尺寸的加工，因此人們可能有理由推論，刀具涂層也會有利于微小尺寸加工。如果能合理應用涂層，且涂層厚度足夠薄，不會鈍化微切削刃，可能某些研究人員會同意這種觀點。然而，這些研究人員尚未最后確定微型刀具涂層是否有利于加工，以及涂層的最佳方式。

    為了了解如何更有效地對微型刀具進行涂層，一些大學正在開展相關研究。本文是大學的一些研究成果，包括在微型刀具上沉積金剛石和其它涂層、確定首選的涂層方法，以及研究不同工件材料對涂層刀具的反應。

    應用日益增多的金剛石涂層

    對金剛石涂層的挑戰之一是涂層與刀具表面的粘附性能。由威斯康星大學麥迪遜分校、賓夕法尼亞大學和阿貢國家實驗室的研究人員組成的研究團隊在微型立銑刀上沉積了一層過渡層，以增強金剛石的粘附性能，并用由氫氟酸、硝酸和去離子水組成的溶液對300μm的雙槽微型立銑刀進行了蝕刻試驗。據威斯康星大學麥迪遜分校機械工程系助理教授Flank E. Pfefferkorn介紹，該試驗的目的之一是在硬質合金基體與金剛石涂層之間創建一種機械連結。

    Pfefferkorn和賓州大學機械工程和應用力學系副教授Robert W. Carpick(他在威斯康星大學麥迪遜分校時曾致力于金剛石涂層的研究)及其研究生和合作伙伴在篇題為“金剛石涂層微型立銑刀：能對鋁件進行微尺寸于切削”的論文中指出鈷結合劑可以增強刀具的韌性，但會削弱金剛石涂層與基體之間的結合強度，并通過限制晶核形成而抑制金剛石的生長。Pfefferkorn表示，“從基體表面去除鉆的主要原因是它會妨礙金剛石生長?！?

    去鈷處理時，需要有選擇地蝕刻掉最適當的含鈷量，而不會過分削弱本身已很纖細的微型刀具為了防止去除太多的鉆并影響刀具的完整性，刀具的含鈷量(重量比)必須不超過6%～8%。Pfefferkorn說，“我們將很薄的表層中的鈷全部蝕刻掉，以防止它影響金剛石的生長過程。我們通過控制蝕刻深度，使其對刀具完整性的影響降至最小?！?

    該論文指出，威斯康星大學麥迪遜分校的研究團隊在完成蝕刻后進行了引晶操作：在丙酮中利用超聲波處理，用納米金剛石粉在基體上沉積金剛石微粒。引種的晶粒起到了定位作用，金剛石在該處開始生長(即形核)。納米金剛石粉結塊會導致引晶不均勻，并造成金剛石的生長不均勻，因此，研究人員采用在酒精溶液中進行超聲波清洗的方法，以確保去除大的晶粒團塊，從而實現均勻引晶。

    然后，采用該研究團隊自行設計和制造的熱絲化學氣相沉積系統，在刀具上生長出了納米晶粒和細顆粒金剛石(Carpick確認，納米晶粒金剛石的粒度為10～100μm，細顆粒金剛石的粒度大于100nm，小于300nm)。該沉積系統包括一個沉積室，其中，溫度至少保持在1800℃的鎢絲周圍充滿保護氣體(特別是在氫氣中稀釋過的甲烷)。