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  • CVD金刚石膜的工程应用

    关键词 CVD , 金刚石膜|2020-09-24 11:20:48|来源 超硬材料与磨料磨具
    摘要 金刚石具有很多优异的物理力学性能,如超高硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性等。所谓工程应用就是将这些机械性能充分开发出来应用于工业各个领域的举措。CVD金刚石膜具有和单晶金刚石几乎相似的...

    金刚石具有很多优异的物理力学性能,如超高硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性等。所谓工程应用就是将这些机械性能充分开发出来应用于工业各个领域的举措。CVD金刚石膜具有和单晶金刚石几乎相似的物理化学性能,且制作工艺相对简单,应用CVD金刚石涂层技术将金刚石膜沉积于部件基体表面,使其具有类似金刚石的性能,是一项非常具有前景的工程应用项目。

    1、整体式刀具

    随着现代机械加工朝着高精、高速、高效的方向发展,对刀具性能提出了相当高的要求。因此,开发出耐磨性更高、能长时间进行稳定机械切削加工的超硬材料刀具是发展的必然趋势。

    一方面由于天然金刚石资源极为有限,且价格昂贵;另一方面由于单晶金刚石具有解理面,冲击韧性较低,限制了其在工业中的大规模推广使用。采用高温高压法烧结的聚晶金刚石(PCD)刀具材料虽然具有各向同性从而解决了单晶金刚石冲击韧性较低的问题,但由于含有5%左右的粘结剂成分,导致刀具使用寿命和表面加工质量远低于天然金刚石刀具。

    在复杂形状硬质合金基体表面沉积附着强度高、表面光滑性好的CVD金刚石膜的制备技术一直是制约CVD金刚石膜涂层刀具大规模产业化应用的技术难题之一,这极大地限制了CVD金刚石膜的应用范围。

    在硬质合金铣刀表面沉积一层CVD金刚石膜能有效地增强其耐磨性。在加工石墨和加工Al/SiC-MMCs工件的试验中,均揭示了金刚石膜作为耐磨材料应用在硬质合金刀具表面的优越性,为金刚石膜的进一步产业化应用奠定了基础。

    2、煤液化减压阀关键部件

    煤直接液化工艺系统高温高压分离器下游排放残渣用的减压阀,在实际工作时需要面对高温(455℃)、高压差(约20MPa)、高流体速度(约107m/s)和高固态浓度(固体颗粒浓度高达50%以上)流体冲蚀的极端工况条件。因此,对其阀座、阀芯等关键部件受冲蚀表面的抗冲蚀磨损性能和使用稳定性提出了非常高的要求。

    过去这些关键部件主要依赖进口,但即使价格昂贵的进口部件,其平均使用寿命也只有不到400h。在煤液化工业生产过程中,需要频繁进行设备性能检测及部件更换,严重影响生产效率和经济效益。因此,研究开发具有自主知识产权的抗冲蚀磨损性能良好的煤液化减压阀阀座和阀芯部件具有重大意义。在常用的CVD金刚石涂层沉积方法中,热丝CVD法具有沉积设备简单、可实现大面积复杂形状沉积的优点,非常适合用于阀座内孔弧面和阀芯圆柱外表面上金刚石涂层的沉积。试验表明:沉积获得的金刚石涂层减压阀部件的使用寿命达到了1200h,比传统未涂层的减压阀使用寿命提高了3倍以上。

    3、铣削CFRP

    碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、抗疲劳、耐腐蚀和可设计性强等优异性能,被广泛应用于航天、航空、汽车和能源等领域。一般CFRP制件的成形性主要采用近净成形技术,但成形后因满足不了精度或装配需要,常需要进行铣削加工。CFRP属于典型的难加工材料,在加工过程中,高硬度、低导热性的碳纤维增强相会严重磨损刀具,同时切削区的局部高温会加速刀具刃口磨损;铣削后材料易产生毛刺、撕裂、分层等加工缺陷。传统硬质合金铣刀已不能满足其加工要求,需要增加耐磨涂层。金刚石膜因硬度高、导热率高及摩擦系数低等优点,成为制造CFRP刀具耐磨涂层的理想材料。

    CVD金刚石涂层刀具的制备过程不受刀具形状的限制,涂覆后刀具可以直接使用,适用于制备复杂形状的刀具,如铣刀、钻头等。

    杨小墦等在研究CFRP的切削加工特点的基础上,在相同的硬质合金立铣刀基体上,分别制备了粗晶、细晶、复合晶3种不同涂层工艺的CVD金刚石膜。在相同的切削条件下对碳纤维复合材料进行铣削加工试验,复合晶工艺的金刚石涂层铣刀使用寿命最长,约为粗晶金刚石涂层铣刀的1.35倍,细晶金刚石涂层铣刀的1.59倍,更适合碳纤维复合材料的铣削加工。

    4、强化孕镶金刚石钻头

    孕镶金刚石钻头在地质勘探中的使用已有数十年历史。随着21世纪钻探技术应用领域的发展,地质勘探新要求的不断出现、相关技术的进步、钻探技术装备及工艺的不断变革,作为碎岩工具的钻头也在不断创新。面对国内外地质勘探的形势和任务,各国更加重视高性能金刚石钻头的研究和开发工作。如DeBeers公司曾在上世纪年80代就研制出了由热稳定聚晶金刚石Syndax-3强化的孕镶金刚石钻头,以及国外有人采用巴拉斯三角形聚晶和人造单晶孕镶层的复合,使钻头具有钻进中硬至硬地层的较宽范围。

    孕镶金刚石钻头的性能对地质勘探的钻进效率和成本有很大的影响,为了提高钻头的性能,科研人员设计、制造了一种用CVD金刚石条作为硬支点材料的新型孕镶金刚石钻头,并进行了冲击回转钻进试验。结果表明:与软支点孕镶金刚石钻头相比,在回转冲击钻进时,硬支点从时效、抗冲击韧性等方面均优于软支点冲击回转钻进是一种优质、高效的钻进技术,尤其是在硬岩钻进过程中,可有效提高钻进效率,减小钻头,且硬支点钻头具有较高的寿命,钻进过程更加稳定。

    5、加工氧化锆陶瓷

    氧化锆陶瓷具有优异的物理化学性能,广泛应用于航天、航空、国防、能源等领域,比如在口腔修复领域,以它为原料制成的全瓷牙成为市场中备受青睐的产品。它能很好地适应于牙齿工作及环境,同时它的外观也符合消费者的需求。但由于其硬度高,难于铣削加工,同时制作所要求的复杂度与精度也较高,所以,研制一种刀具可以在高效率、高质量以及经济的要求下完成对氧化锆陶瓷加工,成为一个很有意义的研究课题。

    王海旺等人采用偏压增强热丝化学气相沉积法在硬质合金片以及硬质合金球头铣刀上沉积三种不同金刚石膜涂层,分别为微米金刚石膜(MCD)、纳米金刚石膜(NCD)和微米纳米复合金刚石膜(MNCD)。

    通过摩擦实验发现:三种CVD金刚石膜涂层与氧化锆陶瓷球对磨的摩擦系数曲线的变化过程比较相似。在摩擦过程的开始阶段,摩擦系数都比较大,然后在摩擦进行过程中,摩擦系数逐渐减小,直至最后摩擦系数变得相对稳定。而硬质合金与前三者不同,其对磨在摩擦过程的开始阶段,摩擦系数比较小,然后随着摩擦过程的进行,摩擦系数逐渐增大,但最后摩擦系数也会变得相对稳定。

    通过切削实验发现:金刚石涂层刀具的磨损远小于未涂层刀具。对比三种不同的金刚石膜涂层,MCD膜表面依旧可以观察到尚未被磨平的金刚石颗粒,NCD和MNCD膜的磨损形貌十分类似,磨损量差别不大,相较MCD膜而言要小。

    6、CVD厚膜刀具

    化学沉积金刚石厚膜≥0.5mm的全晶质纯金刚石多晶结构,不含任何金属结合剂成分,理论上说兼有天然金刚石和聚晶金刚石(PCD)的特点,其性能接近天然金刚石,优于PCD,而成本远远低于PCD。因而它将是一种极具发展前景的新型超硬材料。

    CVD金刚石厚膜焊接刀具虽然可通过特殊的且简便易行的技术钎焊接到所要求的硬质合金基体上,但这种焊接强度远低于高压烧结PCD层与硬质合金之间的结合强度。当它用于断续切削这种高要求的机械加工时,其界面的联接就显得很脆弱。若能解决CVD金刚石厚膜的钎焊强度问题,那么CVD厚膜焊接刀具将能在整个机械加工领域同PCD刀具竞争。

    为了评价CVD金刚石厚膜焊接刀具的优良切削性能,日本住友公司对各种Al-Si合金进行了切削试验,证明了CVD金刚石厚膜焊接刀具的切削性能和寿命优于PCD刀具。Norton公司称它们牌号为DiamaPak的CVD金刚石复合刀片在许多非铁族材料加工中远远超过PCD,刀具寿命比PCD长10倍,而且有更低的加工表面粗糙度。

    邓福铭等对CVD金刚石厚膜精密车刀进行超精密切削性能研究,被加工材料为硬铝合金LY12,切削深度5~6微米,进给量0.01mm/r,切削速度120m/min,实验结果表明:加工表面粗糙度为0.05微米,证明了CVD金刚石厚膜刀具可取代天然单晶金刚石车刀用于超精密切削加工。

    7、拉拔模具

    金属线材行业是我国的主要传统产业,拉拔模具是金属线材生产企业重要的易消耗品。拉拔模具的性能决定了金属线材的质量、生产效率和生产成本。当下,线材行业所用的模具主要为硬质合金模具和聚晶金刚石模具两大类。硬质合金模具寿命较短,易粘料,生产效率低;聚晶金刚石模具价格高,制作较大尺寸模具和异形模具非常困难,且韧性较差。应用CVD金刚石涂层技术,制成金刚石涂层拉拔模具,克服了硬质合金拉拔模具不耐磨和聚晶金刚石拉拔模具韧性较差的缺点,成为新一代拉拔模具。

    经观察,金刚石涂层拉拔模具在实际使用中,金刚石涂层拉拔模具失效并非由于磨损导致尺寸变化过大,而是金刚石涂层部分脱落后暴露的粗糙面使丝材表面划伤导致失效,与普通的硬质合金模具和聚晶金刚石模具的失效有本质区别。

    ◆整理自《化学气相沉积金刚石膜的工程应用》,作者:王光祖


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