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              CVD金剛石膜的工程應用

              關鍵詞 CVD , 金剛石膜|2020-09-24 11:20:48|來源 超硬材料與磨料磨具
              摘要 金剛石具有很多優異的物理力學性能,如超高硬度、強度、耐磨性、抗腐蝕性等。所謂工程應用就是將這些機械性能充分開發出來應用于工業各個領域的舉措。CVD金剛石膜具有和單晶金剛石幾乎相似的...

              金剛石具有很多優異的物理力學性能,如超高硬度、強度、耐磨性、抗腐蝕性等。所謂工程應用就是將這些機械性能充分開發出來應用于工業各個領域的舉措。CVD金剛石膜具有和單晶金剛石幾乎相似的物理化學性能,且制作工藝相對簡單,應用CVD金剛石涂層技術將金剛石膜沉積于部件基體表面,使其具有類似金剛石的性能,是一項非常具有前景的工程應用項目。

              1、整體式刀具

              隨著現代機械加工朝著高精、高速、高效的方向發展,對刀具性能提出了相當高的要求。因此,開發出耐磨性更高、能長時間進行穩定機械切削加工的超硬材料刀具是發展的必然趨勢。

              一方面由于天然金剛石資源極為有限,且價格昂貴;另一方面由于單晶金剛石具有解理面,沖擊韌性較低,限制了其在工業中的大規模推廣使用。采用高溫高壓法燒結的聚晶金剛石(PCD)刀具材料雖然具有各向同性從而解決了單晶金剛石沖擊韌性較低的問題,但由于含有5%左右的粘結劑成分,導致刀具使用壽命和表面加工質量遠低于天然金剛石刀具。

              在復雜形狀硬質合金基體表面沉積附著強度高、表面光滑性好的CVD金剛石膜的制備技術一直是制約CVD金剛石膜涂層刀具大規模產業化應用的技術難題之一,這極大地限制了CVD金剛石膜的應用范圍。

              在硬質合金銑刀表面沉積一層CVD金剛石膜能有效地增強其耐磨性。在加工石墨和加工Al/SiC-MMCs工件的試驗中,均揭示了金剛石膜作為耐磨材料應用在硬質合金刀具表面的優越性,為金剛石膜的進一步產業化應用奠定了基礎。

              2、煤液化減壓閥關鍵部件

              煤直接液化工藝系統高溫高壓分離器下游排放殘渣用的減壓閥,在實際工作時需要面對高溫(455℃)、高壓差(約20MPa)、高流體速度(約107m/s)和高固態濃度(固體顆粒濃度高達50%以上)流體沖蝕的極端工況條件。因此,對其閥座、閥芯等關鍵部件受沖蝕表面的抗沖蝕磨損性能和使用穩定性提出了非常高的要求。

              過去這些關鍵部件主要依賴進口,但即使價格昂貴的進口部件,其平均使用壽命也只有不到400h。在煤液化工業生產過程中,需要頻繁進行設備性能檢測及部件更換,嚴重影響生產效率和經濟效益。因此,研究開發具有自主知識產權的抗沖蝕磨損性能良好的煤液化減壓閥閥座和閥芯部件具有重大意義。在常用的CVD金剛石涂層沉積方法中,熱絲CVD法具有沉積設備簡單、可實現大面積復雜形狀沉積的優點,非常適合用于閥座內孔弧面和閥芯圓柱外表面上金剛石涂層的沉積。試驗表明:沉積獲得的金剛石涂層減壓閥部件的使用壽命達到了1200h,比傳統未涂層的減壓閥使用壽命提高了3倍以上。

              3、銑削CFRP

              碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)具有輕質、高強度、抗疲勞、耐腐蝕和可設計性強等優異性能,被廣泛應用于航天、航空、汽車和能源等領域。一般CFRP制件的成形性主要采用近凈成形技術,但成形后因滿足不了精度或裝配需要,常需要進行銑削加工。CFRP屬于典型的難加工材料,在加工過程中,高硬度、低導熱性的碳纖維增強相會嚴重磨損刀具,同時切削區的局部高溫會加速刀具刃口磨損;銑削后材料易產生毛刺、撕裂、分層等加工缺陷。傳統硬質合金銑刀已不能滿足其加工要求,需要增加耐磨涂層。金剛石膜因硬度高、導熱率高及摩擦系數低等優點,成為制造CFRP刀具耐磨涂層的理想材料。

              CVD金剛石涂層刀具的制備過程不受刀具形狀的限制,涂覆后刀具可以直接使用,適用于制備復雜形狀的刀具,如銑刀、鉆頭等。

              楊小墦等在研究CFRP的切削加工特點的基礎上,在相同的硬質合金立銑刀基體上,分別制備了粗晶、細晶、復合晶3種不同涂層工藝的CVD金剛石膜。在相同的切削條件下對碳纖維復合材料進行銑削加工試驗,復合晶工藝的金剛石涂層銑刀使用壽命最長,約為粗晶金剛石涂層銑刀的1.35倍,細晶金剛石涂層銑刀的1.59倍,更適合碳纖維復合材料的銑削加工。

              4、強化孕鑲金剛石鉆頭

              孕鑲金剛石鉆頭在地質勘探中的使用已有數十年歷史。隨著21世紀鉆探技術應用領域的發展,地質勘探新要求的不斷出現、相關技術的進步、鉆探技術裝備及工藝的不斷變革,作為碎巖工具的鉆頭也在不斷創新。面對國內外地質勘探的形勢和任務,各國更加重視高性能金剛石鉆頭的研究和開發工作。如DeBeers公司曾在上世紀年80代就研制出了由熱穩定聚晶金剛石Syndax-3強化的孕鑲金剛石鉆頭,以及國外有人采用巴拉斯三角形聚晶和人造單晶孕鑲層的復合,使鉆頭具有鉆進中硬至硬地層的較寬范圍。

              孕鑲金剛石鉆頭的性能對地質勘探的鉆進效率和成本有很大的影響,為了提高鉆頭的性能,科研人員設計、制造了一種用CVD金剛石條作為硬支點材料的新型孕鑲金剛石鉆頭,并進行了沖擊回轉鉆進試驗。結果表明:與軟支點孕鑲金剛石鉆頭相比,在回轉沖擊鉆進時,硬支點從時效、抗沖擊韌性等方面均優于軟支點沖擊回轉鉆進是一種優質、高效的鉆進技術,尤其是在硬巖鉆進過程中,可有效提高鉆進效率,減小鉆頭,且硬支點鉆頭具有較高的壽命,鉆進過程更加穩定。

              5、加工氧化鋯陶瓷

              氧化鋯陶瓷具有優異的物理化學性能,廣泛應用于航天、航空、國防、能源等領域,比如在口腔修復領域,以它為原料制成的全瓷牙成為市場中備受青睞的產品。它能很好地適應于牙齒工作及環境,同時它的外觀也符合消費者的需求。但由于其硬度高,難于銑削加工,同時制作所要求的復雜度與精度也較高,所以,研制一種刀具可以在高效率、高質量以及經濟的要求下完成對氧化鋯陶瓷加工,成為一個很有意義的研究課題。

              王海旺等人采用偏壓增強熱絲化學氣相沉積法在硬質合金片以及硬質合金球頭銑刀上沉積三種不同金剛石膜涂層,分別為微米金剛石膜(MCD)、納米金剛石膜(NCD)和微米納米復合金剛石膜(MNCD)。

              通過摩擦實驗發現:三種CVD金剛石膜涂層與氧化鋯陶瓷球對磨的摩擦系數曲線的變化過程比較相似。在摩擦過程的開始階段,摩擦系數都比較大,然后在摩擦進行過程中,摩擦系數逐漸減小,直至最后摩擦系數變得相對穩定。而硬質合金與前三者不同,其對磨在摩擦過程的開始階段,摩擦系數比較小,然后隨著摩擦過程的進行,摩擦系數逐漸增大,但最后摩擦系數也會變得相對穩定。

              通過切削實驗發現:金剛石涂層刀具的磨損遠小于未涂層刀具。對比三種不同的金剛石膜涂層,MCD膜表面依舊可以觀察到尚未被磨平的金剛石顆粒,NCD和MNCD膜的磨損形貌十分類似,磨損量差別不大,相較MCD膜而言要小。

              6、CVD厚膜刀具

              化學沉積金剛石厚膜≥0.5mm的全晶質純金剛石多晶結構,不含任何金屬結合劑成分,理論上說兼有天然金剛石和聚晶金剛石(PCD)的特點,其性能接近天然金剛石,優于PCD,而成本遠遠低于PCD。因而它將是一種極具發展前景的新型超硬材料。

              CVD金剛石厚膜焊接刀具雖然可通過特殊的且簡便易行的技術釬焊接到所要求的硬質合金基體上,但這種焊接強度遠低于高壓燒結PCD層與硬質合金之間的結合強度。當它用于斷續切削這種高要求的機械加工時,其界面的聯接就顯得很脆弱。若能解決CVD金剛石厚膜的釬焊強度問題,那么CVD厚膜焊接刀具將能在整個機械加工領域同PCD刀具競爭。

              為了評價CVD金剛石厚膜焊接刀具的優良切削性能,日本住友公司對各種Al-Si合金進行了切削試驗,證明了CVD金剛石厚膜焊接刀具的切削性能和壽命優于PCD刀具。Norton公司稱它們牌號為DiamaPak的CVD金剛石復合刀片在許多非鐵族材料加工中遠遠超過PCD,刀具壽命比PCD長10倍,而且有更低的加工表面粗糙度。

              鄧福銘等對CVD金剛石厚膜精密車刀進行超精密切削性能研究,被加工材料為硬鋁合金LY12,切削深度5~6微米,進給量0.01mm/r,切削速度120m/min,實驗結果表明:加工表面粗糙度為0.05微米,證明了CVD金剛石厚膜刀具可取代天然單晶金剛石車刀用于超精密切削加工。

              7、拉拔模具

              金屬線材行業是我國的主要傳統產業,拉拔模具是金屬線材生產企業重要的易消耗品。拉拔模具的性能決定了金屬線材的質量、生產效率和生產成本。當下,線材行業所用的模具主要為硬質合金模具和聚晶金剛石模具兩大類。硬質合金模具壽命較短,易粘料,生產效率低;聚晶金剛石模具價格高,制作較大尺寸模具和異形模具非常困難,且韌性較差。應用CVD金剛石涂層技術,制成金剛石涂層拉拔模具,克服了硬質合金拉拔模具不耐磨和聚晶金剛石拉拔模具韌性較差的缺點,成為新一代拉拔模具。

              經觀察,金剛石涂層拉拔模具在實際使用中,金剛石涂層拉拔模具失效并非由于磨損導致尺寸變化過大,而是金剛石涂層部分脫落后暴露的粗糙面使絲材表面劃傷導致失效,與普通的硬質合金模具和聚晶金剛石模具的失效有本質區別。

              ◆整理自《化學氣相沉積金剛石膜的工程應用》,作者:王光祖


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