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您好,歡迎訪問(wèn)翔宇粉末冶金官方網(wǎng)站! 自20世紀(jì)80年代起,人們?cè)诮饎偸∧ぶ苽浼夹g(shù)方面進(jìn)行了多方面的探索,開(kāi)發(fā)出了多種金剛石薄膜沉積方法。目前,已成功開(kāi)發(fā)出的金剛石膜的主要制備方法有熱絲CVD(HFCVD)法、微波等離子體CVD(MPCVD)法、直流等離子體噴射(DCArcPlasmaJet)CVD法和火焰沉積(FlameDeposition)CVD法等。
金剛石涂層硬質(zhì)合金工具技術(shù)的主要難點(diǎn)在于金剛石涂層與工具基體之間的附著力難以保障。鈷粘結(jié)相對(duì)金剛石涂層的影響主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面:①碳在鈷中的擴(kuò)散與溶解將抑制金剛石相的形核和生長(zhǎng);②鈷的存在將催化非晶碳的形成,削弱金剛石涂層的附著力。通過(guò)采取適當(dāng)?shù)挠操|(zhì)合金表面預(yù)處理方法,可以改變硬質(zhì)合金表面的物理和化學(xué)性質(zhì),顯著改善金剛石涂層對(duì)硬質(zhì)合金基體間的附著力。多年來(lái),人們研究了許多種硬質(zhì)合金的表面預(yù)處理方法,如機(jī)械研磨、化學(xué)脫鈷、等離子體刻蝕、施加中間過(guò)渡層、準(zhǔn)分子激光輻照去鈷、化學(xué)反應(yīng)替代法和熱處理蒸發(fā)去鈷方法等。在實(shí)踐中,可選用其中的一種或聯(lián)合使用多種方法對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行表面預(yù)處理。
經(jīng)常被采用的幾種硬質(zhì)合金表面預(yù)處理方法是:①堿處理+酸處理兩步處理法。
這是一種有效的硬質(zhì)合金表面預(yù)處理方法,它先使用Murakami溶液(K3[Fe(CN)6]和KOH的水溶液)對(duì)硬質(zhì)合金表層的WC晶粒進(jìn)行一定程度的腐蝕,使其表面發(fā)生粗糙化;然后用H2SO4/H2O2溶液對(duì)硬質(zhì)合金的表面進(jìn)行處理,去除掉其表層的Co.上述的兩步處理法既消除了Co對(duì)金剛石形核的不利影響,同時(shí)增加了基體表面的粗糙度,可有效地提高金剛石涂層的附著力。
?、谠谟操|(zhì)合金與金剛石涂層之間制備像W/WC、AlN、Ti、Mo等的過(guò)渡層。過(guò)渡層一方面能減小硬質(zhì)合金基體與金剛石涂層在熱膨脹系數(shù)方面的突變,緩和熱應(yīng)力,另一方面,過(guò)渡層能阻斷鈷的催化作用途徑,并在高溫下阻止鈷向金剛石涂層界面的擴(kuò)散。還有通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行表面滲硼處理,使硬質(zhì)合金表層形成鈷與硼的穩(wěn)定化合物,達(dá)到消除硬質(zhì)合金表面存在的鈷對(duì)金剛石涂層過(guò)程的不利影響,提高金剛石涂層的附著力的目的。
?、鄣入x子體刻蝕也是一種常用的硬質(zhì)合金表面預(yù)處理方法。等離子體具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性。CO+H2、H2O+H2等混合氣體的等離子體都能對(duì)鈷形成有效的刻蝕,去除硬質(zhì)合金表層的鈷。等離子體還能使硬質(zhì)合金表層的WC相還原為W,后者在金剛石涂層沉積過(guò)程中又會(huì)被碳化成WC相,從而增大金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體的有效接觸面積,提高金剛石涂層的附著力。
金剛石涂層的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)涂層工具的使用性能也有一定的影響。晶粒發(fā)育良好的(111)方向織構(gòu)為主的金剛石涂層一般具有較高的附著強(qiáng)度和耐磨性,但其表面的粗糙度較大;晶粒較小、結(jié)晶性較差的(100)織構(gòu)取向?yàn)橹鞯慕饎偸繉拥哪湍バ暂^差,但其表面較為光滑。因此,人們力圖通過(guò)控制金剛石涂層的工藝來(lái)改變涂層的微觀結(jié)構(gòu),在涂層的初期生長(zhǎng)結(jié)晶良好的主要為(111)取向的金剛石涂層,而在生長(zhǎng)后期轉(zhuǎn)為生長(zhǎng)結(jié)晶度較差的(100)取向的金剛石涂層。這樣做的好處在于既可以減小金剛石涂層的表面粗糙度,又可以保證金剛石涂層具有較高的附著力。
強(qiáng)電流直流擴(kuò)展電弧等離子體CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金工具技術(shù)強(qiáng)電流直流擴(kuò)展電弧等離子體CVD金剛石薄膜沉積技術(shù)是在DC-arc的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。本實(shí)驗(yàn)室研制強(qiáng)電流直流擴(kuò)展電弧等離子體CVD金剛石涂層沉積中試設(shè)備,就是在以前大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為了實(shí)現(xiàn)金剛石涂層工具產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)而設(shè)計(jì)制造的。
本實(shí)驗(yàn)室研制強(qiáng)電流直流擴(kuò)展電弧等離子體CVD金剛石涂層沉積中試設(shè)備的特點(diǎn)是:①工作時(shí)等離子體放電柱很長(zhǎng),長(zhǎng)達(dá)500mm,所以可沉積金剛石的工作范圍大,有利于實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。②它的等離子體密度也非常高,這樣工件就可以放在遠(yuǎn)離等離子體的位置,等離子體的波動(dòng)對(duì)工件的影響較小,沉積的金剛石薄膜質(zhì)量比較均勻。③工件的加熱靠氫原子在工件表面結(jié)合成氫分子時(shí)釋放的熱量,通過(guò)調(diào)節(jié)氫氣流量調(diào)節(jié)工件溫度,工件不需要額外的冷卻。④可以在復(fù)雜形狀的工具,如麻花鉆和端銑刀等工具上涂覆均勻的金剛石涂層。⑤設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)性比較好。
化學(xué)氣相沉積金剛石涂層工具的使用性能及應(yīng)用常規(guī)金剛石涂層硬質(zhì)合金工具的應(yīng)用金剛石涂層硬質(zhì)合金工具兼?zhèn)淞擞操|(zhì)合金和金剛石兩者的優(yōu)點(diǎn),特別是它具有適用于各種復(fù)雜形狀工具的靈活性。金剛石涂層工具可被用于切削半成品陶瓷、石墨或玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料、黃銅、青銅、金屬基復(fù)合材料、塑料和層壓材料等。
金剛石優(yōu)異的高耐磨性使金剛石涂層工具具有比普通工具長(zhǎng)得多的使用壽命。以加工A390合金時(shí)刀具的使用壽命為例,與未涂層硬質(zhì)合金刀具相比,刀具經(jīng)過(guò)金剛石涂層處理后,加工工件過(guò)程中涂層數(shù)控刀具參數(shù)的設(shè)置的磨損率非常低,刀具壽命提高了10倍以上。用金剛石涂層麻花鉆頭加工A390合金時(shí),鉆孔數(shù)高達(dá)5000個(gè),而使用未涂層硬質(zhì)合金鉆頭只能加工500多個(gè),并且經(jīng)過(guò)金剛石涂層處理后,加工工件的表面光潔度明顯提高。從表中可以看到硬質(zhì)合金工具經(jīng)過(guò)金剛石涂層處理后,其使用壽命大幅度提高。
細(xì)晶粒硬質(zhì)合金金剛石涂層工具的應(yīng)用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金不僅硬度高,耐磨性好,而且還具有較高的強(qiáng)度和韌性,因此細(xì)晶粒硬質(zhì)合金具有優(yōu)良的綜合性能?;w晶粒大小對(duì)切削性能有重要的影響,基體晶粒越細(xì),其硬度越高,切削性能也越好。
細(xì)晶粒硬質(zhì)合金工具主要用于微型鉆頭、木工工具、精密工模具、牙鉆、難加工材料刀具等方面。例如細(xì)晶粒硬質(zhì)合金工具在電子產(chǎn)品方面的應(yīng)用,電子工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是向小型化、集成化、精密化發(fā)展。集成電路板的材質(zhì)是環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)玻璃纖維或玻璃纖維增強(qiáng)塑料,這就要求微型鉆頭有很高的硬度和耐磨性,而鉆頭直徑很小易折斷,所以它還要求鉆頭有高的強(qiáng)度和韌性,采用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金金剛石涂層工具就可以滿足上述的工藝要求。
為了在延長(zhǎng)金剛石涂層工具使用壽命的同時(shí),提高加工工件的表面光潔度,日本OSG株式會(huì)社開(kāi)發(fā)出了細(xì)晶粒高表面光潔度硬質(zhì)合金金剛石涂層工具。(a)是常規(guī)金剛石涂層工具的形貌,常規(guī)金剛石晶粒尺寸為5~10μm,膜厚14μm,通過(guò)控制沉積過(guò)程的工藝參數(shù)如沉積壓力、基體溫度、熱絲溫度、氣體流量等,減小金剛石晶粒的生長(zhǎng)速度,提高二次形核率,可以得到細(xì)晶粒金剛石涂層工具(b)所示,金剛石晶粒尺寸1~2μm,涂層厚度12~14μm,涂層工具表面很光滑,加工的工件表面粗糙度很低。一般的金剛石涂層工具在加工硅鋁合金時(shí),由于工具的表面粗糙度大,而影響了被加工工件表面的光潔度,因此難以獲得精加工所期待的光潔表面。而這種細(xì)晶粒高表面光潔度的金剛石涂層工具同時(shí)具有優(yōu)良的抗粘著性、較高的加工精度、好的表面光潔度和耐磨性。
金剛石涂層硬質(zhì)合金工具以其低廉的加工成本,優(yōu)良的性能和長(zhǎng)的使用壽命引起了人們的關(guān)注。金剛石涂層工具在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段,美國(guó)sp3公司,德國(guó)Cemecon公司以及瑞士Balzers公司等多家公司的金剛石涂層產(chǎn)品已開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng);國(guó)內(nèi)雖然也有許多單位正在從事金剛石涂層工具的研究,但相對(duì)來(lái)講,國(guó)內(nèi)企業(yè)在下述幾個(gè)方面還存在著一定的差距:(1)金剛石涂層硬質(zhì)合金工具的涂層和基體之間的附著力仍需進(jìn)一步提高;(2)金剛石涂層硬質(zhì)合金工具涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性還有待改善;(3)牙科鉆頭和電子工業(yè)用微型鉆頭等金剛石涂層工具有很好的市場(chǎng)前景,急需開(kāi)發(fā)相關(guān)的技術(shù);(4)適用于工業(yè)化生產(chǎn)硬質(zhì)合金金剛石涂層工具的生產(chǎn)設(shè)備還需要進(jìn)一步完善。
總之,隨著對(duì)金剛石涂層硬質(zhì)合金工具沉積設(shè)備的不斷改進(jìn),以及配套的適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的基體預(yù)處理和薄膜沉積工藝的日益成熟,我國(guó)實(shí)現(xiàn)金剛石涂層工具產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)已指日可待。
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