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金刚石涂层的应用技术

日期:2018/6/6
来源:中国研磨网《中国研磨》杂志

   ■王光祖 /文

  金刚石涂层广泛应用在各种切削刀具、模具、工具和摩擦零件中。CVD方法制备的以硬质合金为衬底的金刚石薄膜涂层工具,具有硬度高、自润滑性好、使用寿命长、不受形状限制、成本低等优点,特别适用于非铁材料,如硅铝合金、金属基复合材料、陶瓷、碳纤维和玻璃纤维等制品。

  金刚石涂层必须与基体具有良好的结合力,低的表面粗糙度和良好的均匀性,需要金刚石涂层均匀、致密、颗粒尺寸细小。金刚石涂层的制做需要经过形核和生长两个阶段,其中形核阶段尤其重要,决定了金刚石涂层的颗粒尺寸和均匀性,制做工具、模具使用的金刚石涂层需要高密度和均匀的形核。

  一、用于煤液化减压阀关键部件

  煤直接液化工艺系统高压高温分离器下游排放残渣用减压阀,在实际工作时需要面对高温(约455℃)、高压(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,对其阀座、阀芯等关键部件受冲蚀表面的抗冲蚀磨损性和使用稳定性提出了非常高的要求。目前,这些关键部件主要依赖进口,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减压阀阀座和阀芯部件具有重大意义。

  王新昶等人采用热丝CVD法在硬质合金阀芯及阀座主要受冲蚀表面沉积获得了金刚石涂层,为保证沉积过程中温度分布及制备获得金刚石涂层厚度分布的均匀性,针对阀芯及阀座的不同结构,分别采用了直拉热丝穿孔和平行阶梯式排列两种不同的热丝排布方式。

  将CVD金刚石涂层煤液化减压阀关键部件应用在实际煤液化工况条件下试运行,其使用寿命超过了1200h,比普通同类部件的使用寿命提高了3倍以上。

  二、整体式刀具

  CVD金刚石涂层在硬质合金工模具领域有广阔的应用前景。CVD金刚石薄膜的制备不受基体形状的制约,非常适合于作为耐磨减磨涂层直接沉积在复杂形状的硬质合金刀具表面,以达到提高刀具使用寿命,改进加工质量等目的。

  然而,复杂形状整体式刀具自身的结构特点和性能要求使得它对刀具基体表面的预处理工艺、CVD金刚石薄膜沉积装置以及制备技术均有特殊要求。在复杂形状硬质合金基体表面沉积附着强度高、表面光滑好的CVD金刚石薄膜的制备技术一直是制约CVD金刚石薄膜涂层刀具大规模产业化应用的技术难题之一,这极大限制了CVD金刚石薄膜的应用范围。

  沈彬等人针对具有复杂形状外表面的硬质合金整体式刀具,采用特殊的热丝排布方式,开发了专用的CVD金刚石薄膜沉积装置,在复杂形状整体式刀具表面沉积了高质量的金刚石薄膜,并采用石墨以及碳化硅铝基增强复合材料(al/i-MMCs)作为工件材料,对比考察了金刚石涂层铣刀和未涂层硬质合金铣刀的切削性能。

  实验结果表明,在硬质合金铣刀表面沉积一层CVD金刚石薄膜能够有效增强其耐磨性。在加工石墨的试验中,经过88m的铣削后,金刚石涂层刀具后刀面磨损宽度仍不到30μm,仅为未涂层硬质合金铣刀的一半左右。在加工Al/SiCMMCs工件材料时,经过50min的铣削后,其圆周切削刃后刀面的磨损量仅0.07mm,而未涂层的硬质合金铣刀的圆周切削刃后刀面的磨损达到了0.17mm。揭示了金刚石涂层作为耐磨材料应用在硬质合金刀具表面的优越性,为金刚石涂层的进一步产业化应用奠定了基础。

  三、金刚石涂层PCB钻头

  纳米金刚石技术是国家重点支持的高新技术项目,它的研究及高端工具产业化有助于提升国内金刚石涂层领域的研究水平和超硬工具的应用能力。

  该项目研究团队与深圳大学材料学院展开合作。开发纳米金刚石涂层的研究及工具应用。应用领域涵盖线路板、手机制造、石墨、义齿、汽车、航空复合材料等领域。

  以惠州市戴尔蒙德科技有限公司研发的金刚石涂层PCB钻头为例,它的直径最小可达0.15mm,处于行业领先地位。它可用于PCB线路板钻孔,可大幅提高钻头寿命和加工精度,因此有着广阔的市场。该技术的产业化将推动电子产品智能化、轻薄化和微型化。

  四、CVD金刚石涂层的小孔径拉丝模

  对于孔径较大的拉丝模,通过控制热丝参数以保证热丝和基体温度比较简便,对于热丝对中性的要求也相对较低,但对于小孔径的拉丝模,热丝和内孔表面距离很小,因此如何同时达到热丝温度尽量高和基体温度控制在合适的温度范围内这两个必要条件,是亟待解决的工艺难题,此外,小孔拉丝模有限的内孔空间也对热丝对中性提出了极高的要求。

  近十年来,王新昶课题组则系统地针对各种不同的拉拨模、紧压模、焊接套等圆孔模进行较为系统的内孔常规、纳米或微纳复合金刚石薄膜制备与应用研究,长期致力于各类普通圆孔模具的产业化推广应用,研制的各类金刚石薄膜涂层模具制品的使用寿命可以达到传统硬质合金模具的10倍以上,并且在拉拔过程中可以有效保证拉拔制品的表面光洁度和尺寸稳定性,但仍未完全解决金刚石薄膜涂层小孔径拉丝模制备难题。

  选定了直径为1.3mm的小孔径漆包线拉丝模作为研究对象。在HFCVD金刚石薄膜沉积过程中存在两个关键的温度数值,其一是热丝温度尽量高,以保证反应气体分解效率。其二是基体温度要控制在700℃—900℃的温度范围内,这一温度相对于热丝温度而言较低。对于普通孔径的模具而言,合理控制热丝直径和热丝温度即可较好地满足这两个条件,但当孔径较小时,这两个关键的温度值却为一对非常尖锐的矛盾制约体,当热丝温度达到200℃以上时,基体温度往往也会超过100℃,而要使基体温度满足沉积需求,热丝温度就无法达到气源分解所需要的温度,因此需要采用辅助手段来加快基体散热从而在热丝和基体表面之间形较大的温度梯度。

  此外,在小孔径内孔涂层过程中,采用与普通孔径类似的直拉热丝法进行穿孔时,对热丝的对中性提出了很高的要求,因为对小孔径模具而言,热丝稍有偏离模孔轴线就会使基体内孔表面温度场分布的不均匀性迅速增加,并且在沉积过程中的温度变化会导致热丝热胀冷缩,致使热丝下垂等更严重的偏离轴线的情况出现,严重影响金刚石薄膜生长的质量均匀性,甚至出现热丝碰触基体表面从而导致基体表面烧伤或短路的情况发生,因此需要采用新型的热丝排布方式或热丝张紧装置来保证金刚石薄膜沉积过程中热丝的对中性。

  为了保证沉积过程中热丝的对中性不发生改变,王新昶提出了一种菱形的新型辅助热丝张紧装置。该装置工作原理和样品模型如图1所示。

  五、CVD纳米金刚石涂层工具

  当前,切前削工具、拉丝模、滑动轴承以及许多抗摩擦复合件的基体材料主要采用硬质合金。传统的切削工具由于存在摩擦磨损严重且寿命短等缺点,难以满足高速高效切削的需要,因此,在硬质合金基体上沉积金刚石涂层就成为改善或解决这些问题的一种有效方法。金刚石涂层硬质合金工具非常适合于高效和高精度非铁系金属合金、金属复合物材料和硬脆非金属材料(如陶瓷、石墨和增强型塑料)的加工,与非沉积涂层硬质合金相比,现实的应用表明金刚石涂层硬质合金大大提高了工具的使用寿命。同时由于薄膜金刚石涂层切削工具的低成本和高效能,使之在商业化应用中极具潜能。

  与聚晶金刚石(PCD)工具相比,CVD纳米金刚石工具具有制备工艺简单,而且可以做成各种复杂的几何形状的优点,但因金刚石薄膜与硬质合金基体间附着性较差的缺点限制了CVD纳米金刚石涂层刀具的大规模化工业的应用。

  近几年,随着研究的深入开展,基体与薄膜附着力问题取得了很大进展,并且开发出表面平整、不需刃磨的纳米金刚石涂层工具而使人们将注意力重新转向纳米金刚石涂层刀具的研究。以下是刘书军等对其发展趋势和应用前景的展望。

  CVD纳米金刚石涂层工具既具有硬质合金的强韧性,又兼具了纳米金刚石表面平整光滑、摩擦系数小和容易研磨抛光等优点,在切削加工领域的需求日益广泛。但是从发展水平来看,目前国内外纳米金刚石涂层的研究,还处于基础性研究阶段,还有不少关键问题亟待解决,如纳米金刚石涂层沉积效率较低,涂层附着力较低,薄膜质量有待进一步提高等。纳米金刚石涂层的应用研究刚刚起步,尚未形成成熟产品,距产业化还有很大距离。不过随着新型的纳米金刚石复合涂层技术的开发,不仅能大幅度提高模具和工具的使用寿命,有效降低成本和提高生产效率,而且能从根本上改进加工质量,提升产品档次,具有广阔的应用前景。

  由于CVD纳米金刚石涂层通过二次形核增强了刀具表面的平整性,使得在实际生产中的应用前景非常广阔。虽然存在CVD纳米金刚石涂层工艺的不稳定性不成熟的缺点,但是随着科研工作者的继续努力,相信不久的将来,CVD纳米金刚石涂层不论在技术、设备还是工艺上将会得到很大进展。随着能源经济节约意识的加强和绿色经济的推广,CVD纳米金刚石涂层的应用前景将是十分广阔的。

关键字:金刚石涂层
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