用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置及其制备方法
阅读说明：本技术 用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置及其制备方法 (Diamond coating cutter device for metal surface nanocrystallization and preparation method thereof ) 是由 刘鲁生 梁晨 黄楠 李秀艳 姜辛 卢柯 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及金刚石膜生长领域,尤其涉及一种用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置及其制备方法。该装置包括：金刚石涂层刀具组件座、螺钉、金刚石涂层刀具,金刚石涂层刀具组件座为座头与座身左右一体的组合结构,金刚石涂层刀具为圆柱段与楔形段上下一体的组合结构,金刚石涂层刀具安装于座头的凹槽内,金刚石涂层刀具的楔形段与凹槽内的楔形凹坑相对应并通过楔面紧密配合,金刚石涂层刀具的圆柱段上方与凹槽的螺纹通孔相对应,螺钉安装于凹槽的螺纹通孔,螺钉的下端穿过凹槽的螺纹通孔顶持于金刚石涂层刀具的圆柱段上表面。本发明的刀具基体为碳化钨钴硬质合金,外表面生长金刚石涂层,可以高效地对回旋体的工件表面纳米化处理。(The invention relates to the field of diamond film growth, in particular to a diamond coating cutter device for metal surface nanocrystallization and a preparation method thereof. The device includes: diamond coating cutter subassembly seat, the screw, diamond coating cutter subassembly seat is the integrated configuration of seat head and seat body side to side an organic whole, diamond coating cutter is integrated configuration about cylinder section and wedge section, diamond coating cutter installs in the recess of seat head, the wedge section of diamond coating cutter is corresponding and closely cooperate through the scarf with the wedge pit in the recess, the cylinder section top of diamond coating cutter is corresponding with the screw thread through-hole of recess, the screw is installed in the screw thread through-hole of recess, the screw lower extreme of screw passes the screw thread through-hole top of recess and holds in the cylinder section upper surface of diamond coating cutter. The tool matrix is made of tungsten carbide cobalt hard alloy, and a diamond coating is grown on the outer surface of the tool matrix, so that the workpiece surface of the revolution body can be efficiently subjected to nanocrystallization.)
技术领域
本发明涉及金刚石膜生长领域，尤其涉及一种用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置及其制备方法。
背景技术
纳米材料自问世以来，就以其独特的优异性能如高强度、良好的塑性变形能力、高比热、高热膨胀系数以及独特的理化性能等引起人们的高度重视，很多工程上的应用只需要改善材料的表面性能，就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命。目前，材料表面纳米化主要有三种途径：①表面涂层或沉积，②表面自身纳米化，③混合法表面纳米化，其中第二种途径制备的纳米结构表层与基体无明显的界面、不易脱落、所用设备最为简单，是一种可在短期内实现工业化的纳米技术。
表面自身纳米化方法主要包括喷丸、深滚压、超声机械冲击表面强化、激光冲击强化、表面机械研磨处理(SMAT)等。喷丸、深滚压、超声机械冲击表面强化及激光冲击强化等方法可提高金属材料的表面硬度，并在其表面获得一定深度的残余压应力层，它将有效改善金属材料的疲劳性能。但是，上述方法对金属材料表面硬度提升的幅度有限，并且表层残余压应力在使役过程中容易释放，这将大大降低强化效果。SMAT作为一种表面纳米化方法，可在金属材料表面获得一定深度的纳米结构层，改善金属材料的性能。但是，使用传统材料的刀具对金属材料SMAT处理时，以传统材料中最新的材料硬质合金为例，硬质合金的平均维氏硬度值为1500HV，由于受传统刀具材料的硬度、耐磨性和摩擦系数的影响，刀具在使用过程中与处理工件接触处会发生变形、表面粗糙度升高造成工件表面粗糙度Ra显著增加，这限制了SMAT表面纳米化技术的应用领域。金刚石涂层刀具的维氏硬度值为10000HV，耐磨性好是硬质合金的60～80倍，摩擦系数低摩擦系数0.1，在刀具在使用过程中与处理工件接触处不会变形，有效保证了工件表面粗糙度要求，扩大了SMAT表面纳米化技术的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置及其制备方法，金刚石涂层刀具表面具有极高的高硬度(HV10000)、极低的摩擦系数0.1，所以超硬耐磨、超润滑，抗粘非常好。
本发明的技术方案是：
一种用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，该装置包括：金刚石涂层刀具组件座、螺钉、金刚石涂层刀具，具体结构如下：
金刚石涂层刀具组件座为座头与座身左右一体的组合结构，座身为长方体条状结构，座头为双面对称铣扁结构，座头外端为侧向开口的凹槽，凹槽内的下表面开设楔形凹坑，凹槽的上部开设螺纹通孔，螺纹通孔与楔形凹坑上下对应且中心线同轴；金刚石涂层刀具为圆柱段与楔形段上下一体的组合结构，金刚石涂层刀具安装于座头的凹槽内，金刚石涂层刀具的楔形段与凹槽内的楔形凹坑相对应并通过楔面紧密配合，金刚石涂层刀具的圆柱段上方与凹槽的螺纹通孔相对应，螺钉安装于凹槽的螺纹通孔，螺钉的下端穿过凹槽的螺纹通孔顶持于金刚石涂层刀具的圆柱段上表面，将金刚石涂层刀具夹持固定，金刚石涂层刀具的圆柱段一侧突出于凹槽。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，金刚石涂层刀具的楔形段为两侧对称的斜面与其余部分的圆柱面组合而成，楔形段的一端与圆柱段一体连接处为圆形，其直径与金刚石涂层刀具的圆柱段直径相同；楔形段的另一端为两侧对称的斜面相交于一条直线，其长度与金刚石涂层刀具的圆柱段直径相同。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，金刚石涂层刀具的圆柱段直径为4～50mm、高度为4～50mm，楔形段的对称斜面夹角为40～140°。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，金刚石涂层刀具组件座的材质为45号钢，机械加工完成后表面做发黑防腐处理。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，金刚石涂层刀具为硬质合金表面沉积金刚石涂层的复合结构。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，硬质合金为碳化钨钴硬质合金，沉积金刚石涂层的厚度为4～20μm。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，螺钉为内六角平端紧定螺钉。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置的制备方法，首先，以硬质合金棒为基体，经过线切割机加工得到需要的各种规格尺寸刀具基体，将硬质合金棒的一端加工成楔面，形成圆柱段与楔形段上下一体组合结构的刀具基体；然后，经过表面处理，采用热丝法化学气相沉积的方法，在刀具基体圆柱面沉积多晶金刚石涂层；经分析测试、修整抛光后，制成金刚石涂层刀具。
所述的用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置的制备方法，具体步骤如下：
(1)将加工好的刀具基体进行喷砂处理，去除表面的污染物和疏松层；
(2)使用蒸馏水、酒精在超声波清洗机中对刀具基体进行清洗；
(3)刀具基体在酸、碱液中进行表面腐蚀处理，并采用蒸馏水、酒精超声清洗完毕后，将刀具基体装入热丝CVD金刚石沉积设备中；
(4)将热丝CVD金刚石沉积设备反应腔体内的压强设定为1000～9000Pa，通入流量为100～800sccm的H2、10～200sccm的CH4，将热丝加热到2000～2600℃，使刀具基体圆柱段表面沉积多晶金刚石涂层，制成用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具；
(5)经过分析测试后，通过精密修整抛光进一步提高表面质量，从而满足金属表面纳米化使用环境对刀具的工况要求；
(6)按结构要求将不同型号的金刚石涂层刀具成品安装在金刚石涂层刀具组件座上，金刚石涂层刀具放到座头的凹槽内，内六角平端紧定螺钉通过螺纹通孔将金刚石涂层刀具牢固地固定在金刚石涂层刀具组件座上，圆柱段突出于凹槽的一侧与待加工件对应，对其进行金属表面纳米化。
本发明的设计思想是：
本发明刀具将金刚石材料与硬质合金材料有机地结合在了一起，既可以保证刀具表面具有金刚石的各项优异的物理性质，又可以保证基体大量、廉价地生产制造，扩大了SMAT表面纳米化技术的应用领域。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明的刀具基体为碳化钨钴硬质合金，外表面生长金刚石涂层，硬度高、摩擦系数低，可以高效地对回旋体的工件表面纳米化处理，可有效降低金属材料SMAT处理之后表面粗糙度Ra，扩大了SMAT表面纳米化技术的应用领域。
2、本发明中刀具由金刚石涂层刀具组件座和金刚石涂层刀具组成，可以快捷更换不同尺寸型号的金刚石涂层刀具，结构简单坚固耐用。
3、本发明的刀具基体由标准碳化钨钴硬质合金棒材通过线切割简单加工即可完成，成本低、适合大批量生产制造，可应用于大规模的工业化生产，具有很高的实用价值。
4、本发明金刚石涂层刀具为圆柱段与楔形段上下一体的组合结构，金刚石涂层刀具安装于金刚石涂层刀具组件座座头的凹槽内，用以替代其他传统材料刀具，其装卸和使用方便，只需松紧内六角平端紧定螺钉即可轻松拆卸和安装上刀具。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为本发明的结构俯视图。
图3为本发明的结构侧视图。
图4(a)-图4(c)为本发明金刚石涂层刀具3种主要型号的外形尺寸图。其中，图4(a)为第一种，图4(b)为第二种，图4(c)为第三种。
图5为本发明金刚石涂层刀具制备流程图。
图中：1—金刚石涂层刀具组件座；11—座身；12—座头；13—凹槽；2—内六角平端紧定螺钉；3—金刚石涂层刀具；31—圆柱段；32—楔形段。
具体实施方式
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下面，结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。对于这些实施例的详细描述，应该理解为本领域的技术人员可以通过本发明来实践，并可以通过使用其它实施例，在不脱离所附权利要求书的精神和本发明范畴的情况下，对所示实例进行更改和/或改变。此外，虽然在实施例中公布本发明的特定特征，但是这种特定特征可以适当进行更改，实现本发明的功能。
如图1-图3、图4(a)-图4(c)所示，本发明用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置，主要包括：金刚石涂层刀具组件座1、内六角平端紧定螺钉2、金刚石涂层刀具3，金刚石涂层刀具组件座1为座头12与座身11左右一体的组合结构，座身11为长方体条状结构，座头12为双面对称铣扁结构，座头12外端为侧向开口的凹槽13，凹槽13内的下表面开设楔形凹坑，凹槽13的上部开设螺纹通孔，螺纹通孔与楔形凹坑上下对应且中心线同轴；金刚石涂层刀具3为圆柱段31与楔形段32上下一体的组合结构，金刚石涂层刀具3安装于座头12的凹槽13内，金刚石涂层刀具3的楔形段32与凹槽13内的楔形凹坑相对应并通过楔面紧密配合，金刚石涂层刀具3的圆柱段31上方与凹槽13的螺纹通孔相对应，内六角平端紧定螺钉2安装于凹槽13的螺纹通孔，内六角平端紧定螺钉2的下端穿过凹槽13的螺纹通孔顶持于金刚石涂层刀具3的圆柱段31上表面，将金刚石涂层刀具3夹持固定，金刚石涂层刀具3的圆柱段31一侧突出于凹槽13。
本发明中，金刚石涂层刀具3为硬质合金表面沉积金刚石涂层的复合结构；将长方体条状结构的一端双面对称铣扁，形成座身11与座头12一体组合结构的金刚石涂层刀具组件座1，金刚石涂层刀具组件座1的材质为45号钢，机械加工完成后表面做发黑防腐处理。使用时，将金刚石涂层刀具3放到座头12的凹槽13内，内六角平端紧定螺钉2通过螺纹通孔将金刚石涂层刀具3牢固地固定在金刚石涂层刀具组件座1上，圆柱段31突出于凹槽13的一侧与待加工件对应，对其进行金属表面纳米化。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例
本实施例中，用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具装置的制备方法如下：
首先，以YG6硬质合金精磨圆棒为基体，经过线切割机加工得到需要的各种规格尺寸刀具基体，将YG6硬质合金精磨圆棒的一端加工成楔形段，该楔形段的一端与圆柱段一体连接处为圆形，楔形段的另一端为两侧对称的斜面相交于圆棒一端的直径处形成尖端，形成圆柱段与楔形段上下一体组合结构的刀具基体。然后，经过表面处理，采用热丝法化学气相沉积的方法，在刀具基体圆柱面(即工作区域表面)沉积10μm的多晶金刚石涂层。经分析测试、修整抛光后，制成金刚石涂层刀具。
如图4(a)-图4(c)所示，金刚石涂层刀具3种主要型号的外形尺寸图，其中：金刚石涂层刀具的楔形段32为两侧对称的斜面与其余部分的圆柱面组合而成，楔形段32的一端与圆柱段31一体连接处为圆形，其直径与金刚石涂层刀具的圆柱段31直径相同；楔形段32的另一端为两侧对称的斜面相交于一条直线，其长度与金刚石涂层刀具的圆柱段31直径相同。圆柱段31直径分别为8mm、10mm、12mm，圆柱段31的高度均为6mm；楔形段32的一端圆形直径分别为8mm、10mm、12mm，楔形段32的对称斜面夹角均为120°。从而，可以根据需要的尺寸更换金刚石涂层刀具，不需要像球形金刚石刀具那样开模具生产，节约了大量的成本，且表面光洁、粗糙度低。
如图5所示，本发明金刚石涂层刀具制备流程如下：(1)基体加工→(2)基体清洗→(3)基体前处理→(4)涂层沉积→(5)基体装炉→(6)基体预处理→(7)分析测试→(8)修整抛光→(9)刀具成品。
先将加工好的刀具基体进行喷砂处理，去除表面的污染物和疏松层；再使用蒸馏水、酒精在超声波清洗机中清洗；然后在配置好的酸、碱液中进行表面腐蚀处理，并采用蒸馏水、酒精超声清洗完毕后，将刀具基体装入热丝CVD金刚石沉积设备中。将热丝CVD金刚石沉积设备反应腔体内的压强设定为3000Pa，通入流量为600sccm的H2、50sccm的CH4，将热丝加热到2400℃，使刀具基体圆柱段表面沉积厚度约10μm的多晶金刚石涂层，制成用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具。经过分析测试后，通过精密修整抛光进一步提高表面质量，从而满足金属表面纳米化使用环境对刀具的工况要求。最后，按图1、图2和图3的结构要求将不同型号的金刚石涂层刀具成品安装在金刚石涂层刀具组件座上。
将本发明用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具与其他传统材料刀具中硬度最高的硬质合金刀具表面分别做维氏硬度测试，金刚石涂层刀具表面维氏硬度值为10000HV，硬质合金刀具表面维氏硬度值为1500HV，金刚石涂层刀具表面维氏硬度是硬质合金刀具表面维氏硬度的6.6倍。
实施例结果表明，本发明提供种用于金属表面纳米化的金刚石涂层刀具，硬度高、摩擦系数低，可以高效地对回旋体的工件表面纳米化处理；刀具基体由标准碳化钨钴硬质合金棒材通过线切割简单加工即可完成，成本低、适合大批量生产制造；刀具由金刚石涂层刀具组件座和金刚石涂层刀具组成，可以快捷更换不同尺寸型号的金刚石涂层刀具，结构简单坚固耐用。从而，可应用于大规模的工业化生产，具有很高的实用价值。
以上所述的仅是本发明所列举的最优实施方式。需要指出，对于本技术领域的所有技术人员，在不脱离所附权利要求书的精神和本发明所示原理的范畴情况下，还可以对所示实例进行更改和/或改变，这些改变也应被视为本发明的权利保护范围。
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