金 剛石薄膜塗層刀具是一種近年來才發展起來的一種高新技術產品。由於金剛石具有硬度高 、摩擦係數低、導熱性好等特性，因而使用金剛石薄膜塗層刀具切削，有加工精度高、切削 壽命長、切削力小、加工效率高等優點。其切削壽命與目前使用的聚晶金剛石(PCD)刀具相 當，是硬質合金刀具壽命的10～140倍。它特別適用於切削加工有色金屬、陶瓷、纖維層壓複合材料等。PCD和硬質合金刀具常因後刀面嚴重磨損、刀尖圓弧 半徑增大而失效，而金剛石薄膜塗層刀具則通常以金剛石薄膜塗層的開裂、剝落以及被磨穿而失效。正是由於這一點，其失效的預報較為容易實現，這對切削過程中 降低廢、次品和實現監測檢驗的 自動化具有重要的意義。
對比切削試驗
金剛石薄膜塗層刀具的襯底是YG6硬質合金，型號為C116，刀尖圓弧半徑為0.3～0.8mm。
在化學氣相沉積金剛石薄膜過程中，硬質合金中的鈷粘結相會促使石墨生長，因此必須對硬質合金襯底表面進行預處理，以去除或降低襯底表面層中的鈷含量。一 般的預處理工藝為：首先對襯底表面進行酸蝕去鈷，再用金剛石微粉研磨和用丙酮進行超聲清洗，然後進行 還原降碳和用離子束輔助沉積鉬過渡層和類金剛石膜。
還原降碳是將襯底表面的WC轉變為W或W2C，在隨後合成金剛石膜過程中，氣相中的碳再將 W或W2C轉變成WC，以提高膜與基體的結合強度；鉬過渡層可以阻擋鈷的擴散，這是因為襯底表面的鈷被酸浸蝕去除後，在化學汽相沉積金剛石過程中，由於襯 底溫度高達700～900 ℃，鈷會重新擴散到表面，甚至將已合成的金剛石轉變為石墨。
預處理後的襯底用熱絲CVD法沉積金剛石薄膜，膜層厚度5～6μm，合成的金剛石晶粒細小， 均勻緻密光滑，刀具無須再拋光。
同時用PCD和硬質合金刀具車削汽車活塞外圓(f105mm ×110mm)進行對比切削試驗，汽車活 塞的材料為含硅11%～18%的鋁合金。切削工藝參數為：切削速度300～700m/min；進給量0.1mm/r；切削深度0.2mm，干式切削。用示 波器監測切削力的動態變化，並隨時觀察切屑情況，切削後檢查工件尺寸精度和表面質量以及刀具失效情況。對比結果，硬質合金刀具切削壽命最短，而金剛石薄膜 塗層刀具能連續切削50～120min，切削總長度達到15～80km。雖然其使用壽命沒有PCD刀具長，但加工表面質量比用PCD刀具切削的要好 。
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圖1 膜剝落開裂電鏡圖
失效形式和預報
試驗表明，金剛石薄膜塗層刀具主要失效形式是膜開裂剝落(圖1)，其次是膜被磨穿。這是因為：
1. 在化學氣相沉積金剛石膜過程中，基體與膜的熱膨脹係數不同、基體與膜的晶格不匹配 ，導致內應力的產生，塗層刀具在切削時，這種內應力的不恰當釋放。
2. 基體與膜界面間存在非金剛石相，特別是存在有石墨相時，膜與基體的附著性和結合強 度被極大地降低。
3. 膜層厚度的增加，膜與基體的結合強度隨之下降，因此金剛石膜厚度一般不大於20μm ，多數小於10μm。金剛石膜過薄時，會發生膜被磨穿。
所以，金剛石膜與基體的結合強度是制約金剛石薄膜塗層刀具發展的關鍵因素，儘管國內外 研究工作者採取過許多技術措施，取得了一定成效，但仍未從根本上解決了這一難題，目前 ，金剛石薄膜的剝落仍是其失效的主要形式。
由於活塞外圓是中凸變橢圓形曲面，切削試驗中，當用金剛石薄膜塗層刀具加工活塞外 圓時，切削力隨時間作週期性變化，示波器上可以看出切削力呈規律性波形，且當金剛石薄 膜塗層刀具失效時，切削力明顯增加，如圖2所示。
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圖2 失效前後切削力波形圖
金剛石薄膜塗層刀具失效時，膜開裂剝落或被磨穿，切削摩擦副變金剛石與工件材料為硬質合金YG6與工件材料，摩擦係數明顯增大，使切屑與前刀面間的摩 擦加劇，在高壓作用下產生粘結形成積屑瘤。測量失效前後加工工件的尺寸精度和表面質量，可以發現，失效前，加工出的尺寸精度和表面質量全部符合要求，失效 後，加工出的尺寸精度和表面質量均會下降 ，且很快不能達到加工要求。
PCD和硬質合金刀具切削加工時，不會發生切削摩擦副的變 化，其切削力的變化主要來自刀具後刀面磨損的影響，有試驗表明，當後刀面磨損達到 0.8～1.0 mm時，切削力增大約30%，依據這一點預報刀具失效顯然是困難的。而金剛石薄膜塗層刀具失效時，如前所述，將發生切削摩擦副的變化，且有積屑瘤產生，切 削力將突然增大1～3倍，這為預報刀具失效創造了有利的條件。即可以通過切削過程中監測積屑瘤的產生和切削力的變化來判斷 金剛石薄膜塗層刀具的失效。
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