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新型沉积法对金刚石合金的运用研讨

文章出处:责任编辑:发表时间:2020-08-12【

   自20世纪80年代起,人们在金刚石薄膜制备技术方面进行了多方面的探索,开发出了多种金刚石薄膜沉积方法。目前,已成功开发出的金刚石膜的主要制备方法有热丝CVD(HFCVD)法、微波等离子体CVD(MPCVD)法、直流等离子体喷射(DCArcPlasmaJet)CVD法和火焰沉积(FlameDeposition)CVD法等。
幸运飞艇官网  金刚石涂层硬质合金工具技术的主要难点在于金刚石涂层与工具基体之间的附着力难以保障。钴粘结相对金刚石涂层的影响主要表现在下述几个方面:①碳在钴中的扩散与溶解将抑制金刚石相的形核和生长;②钴的存在将催化非晶碳的形成,削弱金刚石涂层的附着力。通过采取适当的硬质合金表面预处理方法,可以改变硬质合金表面的物理和化学性质,显著改善金刚石涂层对硬质合金基体间的附着力。多年来,人们研究了许多种硬质合金的表面预处理方法,如机械研磨、化学脱钴、等离子体刻蚀、施加中间过渡层、准分子激光辐照去钴、化学反应替代法和热处理蒸发去钴方法等。在实践中,可选用其中的一种或联合使用多种方法对硬质合金进行表面预处理。

新型沉积法对金刚石合金的运用研讨  

经常被采用的几种硬质合金表面预处理方法是:①碱处理+酸处理两步处理法。
  这是一种有效的硬质合金表面预处理方法,它先使用Murakami溶液(K3[Fe(CN)6]和KOH的水溶液)对硬质合金表层的WC晶粒进行一定程度的腐蚀,使其表面发生粗糙化;然后用H2SO4/H2O2溶液对硬质合金的表面进行处理,去除掉其表层的Co.上述的两步处理法既消除了Co对金刚石形核的不利影响,同时增加了基体表面的粗糙度,可有效地提高金刚石涂层的附着力。
  ②在硬质合金与金刚石涂层之间制备像W/WC、AlN、Ti、Mo等的过渡层。过渡层一方面能减小硬质合金基体与金刚石涂层在热膨胀系数方面的突变,缓和热应力,另一方面,过渡层能阻断钴的催化作用途径,并在高温下阻止钴向金刚石涂层界面的扩散。还有通过对硬质合金进行表面渗硼处理,使硬质合金表层形成钴与硼的稳定化合物,达到消除硬质合金表面存在的钴对金刚石涂层过程的不利影响,提高金刚石涂层的附着力的目的。
  ③等离子体刻蚀也是一种常用的硬质合金表面预处理方法。等离子体具有很强的反应活性。CO+H2、H2O+H2等混合气体的等离子体都能对钴形成有效的刻蚀,去除硬质合金表层的钴。等离子体还能使硬质合金表层的WC相还原为W,后者在金刚石涂层沉积过程中又会被碳化成WC相,从而增大金刚石涂层与硬质合金基体的有效接触面积,提高金刚石涂层的附着力。
  金刚石涂层的微观结构对涂层工具的使用性能也有一定的影响。晶粒发育良好的(111)方向织构为主的金刚石涂层一般具有较高的附着强度和耐磨性,但其表面的粗糙度较大;晶粒较小、结晶性较差的(100)织构取向为主的金刚石涂层的耐磨性较差,但其表面较为光滑。因此,人们力图通过控制金刚石涂层的工艺来改变涂层的微观结构,在涂层的初期生长结晶良好的主要为(111)取向的金刚石涂层,而在生长后期转为生长结晶度较差的(100)取向的金刚石涂层。这样做的好处在于既可以减小金刚石涂层的表面粗糙度,又可以保证金刚石涂层具有较高的附着力。
  强电流直流扩展电弧等离子体CVD金刚石涂层硬质合金工具技术强电流直流扩展电弧等离子体CVD金刚石薄膜沉积技术是在DC-arc的基础上发展起来的。本实验室研制强电流直流扩展电弧等离子体CVD金刚石涂层沉积中试设备,就是在以前大量试验的基础上,为了实现金刚石涂层工具产业化生产而设计制造的。
  本实验室研制强电流直流扩展电弧等离子体CVD金刚石涂层沉积中试设备的特点是:①工作时等离子体放电柱很长,长达500mm,所以可沉积金刚石的工作范围大,有利于实现批量产业化生产。②它的等离子体密度也非常高,这样工件就可以放在远离等离子体的位置,等离子体的波动对工件的影响较小,沉积的金刚石薄膜质量比较均匀。③工件的加热靠氢原子在工件表面结合成氢分子时释放的热量,通过调节氢气流量调节工件温度,工件不需要额外的冷却。④可以在复杂形状的工具,如麻花钻和端铣刀等工具上涂覆均匀的金刚石涂层。⑤设备结构简单,经济性比较好。
  化学气相沉积金刚石涂层工具的使用性能及应用常规金刚石涂层硬质合金工具的应用金刚石涂层硬质合金工具兼备了硬质合金和金刚石两者的优点,特别是它具有适用于各种复杂形状工具的灵活性。金刚石涂层工具可被用于切削半成品陶瓷、石墨或玻璃纤维强化复合材料、黄铜、青铜、金属基复合材料、塑料和层压材料等。
  金刚石优异的高耐磨性使金刚石涂层工具具有比普通工具长得多的使用寿命。以加工A390合金时刀具的使用寿命为例,与未涂层硬质合金刀具相比,刀具经过金刚石涂层处理后,加工工件过程中涂层数控刀具参数的设置的磨损率非常低,刀具寿命提高了10倍以上。用金刚石涂层麻花钻头加工A390合金时,钻孔数高达5000个,而使用未涂层硬质合金钻头只能加工500多个,并且经过金刚石涂层处理后,加工工件的表面光洁度明显提高。从表中可以看到硬质合金工具经过金刚石涂层处理后,其使用寿命大幅度提高。
  细晶粒硬质合金金刚石涂层工具的应用细晶粒硬质合金不仅硬度高,耐磨性好,而且还具有较高的强度和韧性,因此细晶粒硬质合金具有优良的综合性能。基体晶粒大小对切削性能有重要的影响,基体晶粒越细,其硬度越高,切削性能也越好。
  细晶粒硬质合金工具主要用于微型钻头、木工工具、精密工模具、牙钻、难加工材料刀具等方面。例如细晶粒硬质合金工具在电子产品方面的应用,电子工业产品的发展趋势是向小型化、集成化、精密化发展。集成电路板的材质是环氧树脂粘结玻璃纤维或玻璃纤维增强塑料,这就要求微型钻头有很高的硬度和耐磨性,而钻头直径很小易折断,所以它还要求钻头有高的强度和韧性,采用细晶粒硬质合金金刚石涂层工具就可以满足上述的工艺要求。
  为了在延长金刚石涂层工具使用寿命的同时,提高加工工件的表面光洁度,日本OSG株式会社开发出了细晶粒高表面光洁度硬质合金金刚石涂层工具。(a)是常规金刚石涂层工具的形貌,常规金刚石晶粒尺寸为5~10μm,膜厚14μm,通过控制沉积过程的工艺参数如沉积压力、基体温度、热丝温度、气体流量等,减小金刚石晶粒的生长速度,提高二次形核率,可以得到细晶粒金刚石涂层工具(b)所示,金刚石晶粒尺寸1~2μm,涂层厚度12~14μm,涂层工具表面很光滑,加工的工件表面粗糙度很低。一般的金刚石涂层工具在加工硅铝合金时,由于工具的表面粗糙度大,而影响了被加工工件表面的光洁度,因此难以获得精加工所期待的光洁表面。而这种细晶粒高表面光洁度的金刚石涂层工具同时具有优良的抗粘着性、较高的加工精度、好的表面光洁度和耐磨性。
  金刚石涂层硬质合金工具以其低廉的加工成本,优良的性能和长的使用寿命引起了人们的关注。金刚石涂层工具在国外已经开始进入实用阶段,美国sp3公司,德国Cemecon公司以及瑞士Balzers公司等多家公司的金刚石涂层产品已开始进入市场;国内虽然也有许多单位正在从事金刚石涂层工具的研究,但相对来讲,国内企业在下述几个方面还存在着一定的差距:(1)金刚石涂层硬质合金工具的涂层和基体之间的附着力仍需进一步提高;(2)金刚石涂层硬质合金工具涂层质量的稳定性还有待改善;(3)牙科钻头和电子工业用微型钻头等金刚石涂层工具有很好的市场前景,急需开发相关的技术;(4)适用于工业化生产硬质合金金刚石涂层工具的生产设备还需要进一步完善。
  总之,随着对金刚石涂层硬质合金工具沉积设备的不断改进,以及配套的适合产业化生产的基体预处理和薄膜沉积工艺的日益成熟,我国实现金刚石涂层工具产业化生产已指日可待。

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