CVD金剛石在齒輪磨齒機中的應用探究

王士虎，蘭 輝 ，王焱鉑,柴 斌

(秦川機床工具集團股份公司，陜西 寶雞 721009)

1 CVD的主要制造方法

CVD(化學氣相沉積金剛石)與高溫高壓(HTHP)金剛石相比，無金屬催化劑，它的熱穩定性和強度接近天然金剛石。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。由于這種釬焊強度遠低于 PCD 材料金剛石層與硬質合金之間的結合強度，當它應用于斷續切削時，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械加工領域同 PCD 材料競爭。這種刀具材料與 PCD 相比，具有熱穩定性好、工具使用壽命長的優點。缺點是晶粒間的內聚強度低，材料表現出較大的內應力和脆性。另外，由于 CVD 金剛石缺乏導電性，阻礙了該材料對電火花切割和拋光加工技術的應用。第二種形式是通過粉末冶金(燒結法)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牢固的結合，不至于在使用中掉落。這種工藝主要應用于磨輪、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、乙炔等碳氫化合物按一定比例混合通入反應腔體內，流經電加熱至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氫基團，隨后發生復雜的吸附與解吸附反應，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)優點 熱絲法的優點在于其制備成本低、裝置簡單、易實現大面積沉積、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腔，微波從波導管經過，進入反應腔內，會產生一個反應很強的交變電場，氣體在交變電場的激勵下被激發形成等離子體，氫氣和甲烷受到激發形成具有很高活性的化學活性基團，擴散至合適的基底表面后，沉積出金剛石涂層。

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

(2)缺點 該沉積法突出的缺點是制備效率低，設備價格昂貴，制備成本偏高，不易擴大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兩極間通入一定的直流電壓，在正負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量，被認為是工業化應用前景非常光明的金剛石膜制備技術。

(2)缺點

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

三種制造工藝生產的CVD金剛石，質量等級順序為：微波工藝>直流電弧工藝>熱絲工藝，成本則反之。近年以來，隨著熱絲工藝經過改進，新型熱絲工藝生產的CVD金剛石機械性能接近電弧工藝生產的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金剛滾輪中的應用

蝸桿磨齒機作為直齒、斜齒圓柱齒輪的連續展成磨削機床，適用于批量化、專業化的齒輪加工生產。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。

蝸桿砂輪磨齒機磨削齒輪的原理，相當于一對螺旋齒輪的嚙合原理。蝸桿砂輪實質上可以看成是一個齒數很少(單頭砂輪齒數等于 1)的螺旋齒輪。因為它的齒數少，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，其法向基節等于所磨齒輪的法向基節[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的核心部件，跟據被磨削齒輪的具體要求，諸如標準漸開線、鼓形齒、倒角齒等，金剛石滾輪需要設計和被加工成相對應的形狀。圖2所示為常見適用于不同型號磨齒機的金剛石滾輪形狀。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 蝸桿磨齒機滾輪Fig.2 The roller of worm wheel gear grinding machine

譬如模數為m=0.5mm的標準漸開線圓柱齒輪，其需要的滾輪外圓厚度只有0.35mm，這樣的尺寸，對傳統的電鍍或者燒結工藝金剛石滾輪的使用壽命來說都是巨大的挑戰。通過燒結工藝或是電鍍工藝把CVD金剛石嵌入并固定于滾輪外圓，則可大大加強滾輪薄弱環節，成倍增加滾輪壽命。現在市場主流的蝸桿砂輪磨齒機用滾輪，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，使滾輪外圓部位和斜面部位的強度得到了很好的發揮。

3 CVD金剛石在成型磨齒機金剛滾輪中的應用

按成形法加工的成形砂輪磨齒機的砂輪由成形砂輪修整器在軸向剖面內修成齒形，砂輪架可作垂直方向進給。被磨齒輪由分度架和尾座支承，通過工作臺作縱向往復運動以磨出齒面，每磨一齒后進行分度。在磨斜齒輪的機床上，砂輪可按工件螺旋角轉一角度，工件能在往復運動的同時得到附加轉動[5]。如機床砂輪架能使砂輪進入內齒輪工件中，便可磨削內齒輪。成形砂輪磨齒機結構簡單，效率高，精度可達5級，適用于成批生產,對齒數少(例如少于17個)的齒輪尤為合適

成型磨齒機滾輪一般采用燒結工藝和電鍍工藝制造，早年的成型磨齒機滾輪無CVD金剛石加強，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金剛石工藝加強后，滾輪曲線保型性大大加強。

圖4 成型磨齒機滾輪形狀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用

隨著成型磨削的迅速發展和成型磨削砂輪的廣泛應用，在曲軸、活塞環溝槽、軸承、轉向關節、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行縱向進給式修整，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雜型面、小的角度、嚴格的半徑，實現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，這大大地提高了滾輪的使用壽命。圖6所示CVD金剛石應用于成型滾輪，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 結論

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

在超硬工具領域，CVD金剛石與傳統的工藝相結合，以其獨特的性能，助力超硬產品走向高端并升級換代發揮著越來越突出的作用。