ما هو الماس المغلفة كربيد؟

1. الماس CVD مقدمة يشير ترسيب البخار الكيميائي (CVD) إلى استخدام طريقة CVD ، في ظل ظروف الضغط المنخفض ، مع الغازات المحتوية على الكربون مثل H2 و CH4 مثل غاز التفاعل ، التفاعلات الكيميائية تحت ظروف البلازما المدعومة وظروف حرارة معينة ، مما أدى إلى ترسب الجسيمات الصلبة الماس التي تم الحصول عليها على سطح الركيزة ساخنة. على غرار الماس الطبيعي ، فإن CVD diamond هي بلورة ذرة كربون واحدة وتنتمي إلى نظام مكعب. تشكل كل ذرة C في البلورة رابطة تساهمية مع ذرات مدارية مختلطة 4 ذرات و 4 ذرات C أخرى ، ولديها قوة وثبات قويان. الطبيعة والاتجاهية ؛ طول السند وزاوية الرابطة بين ذرات C و ذرات C متساوية ، ويتم ترتيبهما في بنية شبكة مكانية مثالية ، مما يجعل الماس CVD يحمل خصائص ميكانيكية وحرارية وبصرية وكهربائية مماثلة للماس الطبيعي. أداء شامل كما نعلم جميعا ، احتياطيات الماس الطبيعي في العالم الطبيعي ، وتكاليف التعدين مرتفعة ، والثمن باهظ الثمن ، ومن الصعب الترويج للتطبيق على نطاق واسع في المجال الصناعي. لذلك ، أصبح توليف الماس بطرق اصطناعية مثل ارتفاع درجة الحرارة والضغط العالي (HTHP) والأمراض القلبية الوعائية تدريجيا الطريقة الرئيسية للأشخاص للحصول على هذه المواد الممتازة ذات الخصائص الممتازة. المنتجات الماسية التي يتم تصنيعها بطريقة HTHP تكون عمومًا في حالة جزيئات أحادية البلورة المنفصلة. على الرغم من أن طريقة HTHP تمكنت من تصنيع بلورات فردية كبيرة بأقطار أكبر من 10 مم مع تطور العلوم والتكنولوجيا ، فإن المنتجات الحالية لا تزال في معظمها بلورات فردية يبلغ قطرها 5 مم أو أقل. وبشكل رئيسي مسحوق الماس. في المقابل ، يتم تحديد حجم البلورة المفردة الماسية المصنّعة بطريقة CVD حسب حجم بلورة البذور ، ويمكن أيضًا الحصول على بلورة مفردة ذات حجم أكبر من الماس باستخدام طرق نمو متعددة و "فسيفساء". بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا استخدام طريقة CVD لإعداد أفلام ذاتية الدعم من الماس كبير المساحة من خلال الترسيب المغاير للكسر أو لطلاء الماس على سطح الأشكال المعقدة المختلفة لتشكيل طلاء مقاوم للاهتراء ، مما يوسع إلى حد كبير تطبيق الماس. يمكن أن نرى أن CVD Diamond لديها مجموعة واسعة جدًا من إمكانيات التطبيق في العديد من المجالات مثل التصنيع والدفاع والصناعة النووية. من بينها ، يتضمن التطبيق في صناعة الآلات بشكل أساسي مضمدات طحن الطحن ، وأقلام التشذيب ، وأدوات القطع المختلفة ، إلخ. عند استخدامها في هذه الجوانب ، يتم فقط إشراك الصلابة ومقاومة التآكل والاستقرار الكيميائي للماس ، والشفافية ليست كذلك مطلوب. خصائص مثل فقدان العزل وإعداد المنتج سهلة نسبيا ، لذلك التطبيق على الأداة هو المجال الرئيسي للتطبيق الصناعي على نطاق واسع من CVD diamond.2. أدوات كربيد الماس المطلية بـ CVD تشمل أدوات قطع الماس الموجودة حاليًا في السوق أدوات الماس أحادية البلورة ، وأدوات الماس الكريستالات (PCD) ، وأدوات لحام غشاء الماس الكثيف ، وأدوات طلاء الماس. الأخيران هما تطبيقات من CVD diamond كأداة. من بينها ، يتم تحضير أداة لحام الغشاء السميك للماس بشكل عام عن طريق قطع غشاء سميك للماس ذاتي الدعم CVD بسماكة 0.3 مم أو أكثر ثم لحامها على ركيزة. نظرًا لأنه يمكن قطع الأفلام السميكة الماسية إلى أي شكل ثنائي الأبعاد ، فهي أقل تكلفة وأكثر مرونة من الأدوات أحادية البلورة. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتم تضمين الروابط المشتركة في أفلام سميكة الماس مقارنة بأدوات PCD. دقة تشغيل عالية ونسبة تآكل عالية. بالنسبة للأدوات المطلية بالماس ، يتم استخدام طريقة CVD لتطبيق طلاء ألماس أقل من 30 ميكرون على سطح هيكل الأداة. بالمقارنة مع الأدوات الثلاثة الأخرى ، يمكن لطريقة CVD أن تطبق الماس على الأدوات ذات الأشكال المعقدة بما في ذلك التدريبات المختلفة ، قواطع الطحن ، وما إلى ذلك ؛ ونظرًا لأن طلاء الماس رفيع وزمن الترسيب قصير ، فإن الأداة المطلية لا تحتاج إلى المتابعة. المعالجة ، وبالتالي تكون التكلفة منخفضة. ولهذا ، فإن تحليل سوق الأدوات الحالي يعتقد عمومًا أن الأدوات المطلية بالماس CVD ستكون واحدة من أهم اتجاهات التطوير في صناعة الأدوات. من بين العديد من مواد الأدوات ، يعد كربيد الأسمنت WC-Co الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. ليس فقط صلابة عالية ، والاستقرار الحراري الممتاز ، ولكن أيضا لديه قوة عالية وصلابة جيدة. هذا هو طلاء الماس المثالي. المواد الأساسية أداة طبقة. يمكن لأدوات القطع كربيد المغلفة بالماس CVD المغلفة بالماس التي أعدت من الماس CVD على سطح كربيد الأسمنت WC-Co الجمع بين مقاومة الماس ممتازة للتآكل ، وتبديد الحرارة ، وصلابة جيدة من كربيد الأسمنت. حل فعال التناقض بين صلابة وصلابة مواد الأدوات الحالية ، وتحسين كبير في أداء القطع وعمر خدمة أدوات كربيد. في المعادن غير الحديدية وسبائكها ، مختلف الجسيمات أو المواد المركبة المقواة بالألياف والسيراميك عالي الأداء ومعالجة المواد الأخرى يتمتع الحقل بآفاق تطبيق واسعة. 1 حواف القطع من (أ) الأداة غير المطلية و (ب) الأداة المطلية بالماس بعد قطع الاختبارات الشكل. 2 القنوات المطحنة ذات النهايات التمثيلية في السبائك آل بعد قطعها بواسطة (أ) أداة غير مصقول و (ب) أداة مغلفة بالماس في أدوات الخلاصة ، تتميز أدوات الكربيد المطلية بالماس بأداء ممتاز من حيث الخراطة والطحن والحفر. على سبيل المثال ، تآكل حافة القطع صغير ، وعمر الخدمة طويل ، والماكينة ليست "شائكة" ودقة معالجة عالية. لذلك ، بالمقارنة مع الأدوات الأخرى ، يمكن لأدوات الكربيد المطلية بالماس أن تلبي بشكل أفضل متطلبات المعالجة للمواد الجديدة والقطع الدقيق للغاية. 3. مشاكل وحلول أدوات كربيد المغلفة بالماس CVD على الرغم من أن عددًا كبيرًا من نتائج البحث قد أظهرت أن أدوات كربيد المغلفة بـ CVD الماسية تتمتع بأداء ممتاز وعمر خدمة طويل ، هناك أيضًا تقارير عن تجارب إنتاج ناجحة من قبل بعض الشركات المصنعة في الداخل والخارج. ولكن حتى الآن ، لم يتم تطبيق هذه الأداة في الإنتاج الصناعي على نطاق واسع. السبب الرئيسي هو أن الأدوات المطلية بالماس المنتجة حاليًا لا تزال تواجه مشكلات مثل انخفاض قوة الترابط بين الطلاء والركيزة ، وخشونة السطح الكبيرة لطلاء الماس ، واستقرار الجودة المنخفض. فيما بينها ، فإن قوة الرابطة المنخفضة للطلاء هي عقبة تقنية أساسية تحد من التطبيق الواسع النطاق لهذه الأداة. والسبب الرئيسي لقوة الترابط المنخفضة للطلاء الماسي هو وجود مراحل الترابط المشترك في ركائز كربيد الأسمنت. في درجات حرارة ترسب الماس CVD (600 ~ 1200 درجة مئوية) ، يكون لدى Co ضغط بخار عالي التشبع ، وسوف ينتشر بسرعة إلى سطح الركيزة ، ويمنع نواة الماس ونموه ، ويحفز تكوين الجرافيت والكربون المتبلور ، مما يؤدي إلى طلاء الماس و يتم تقليل قوة الرابطة بين ركائز كربيد الأسمنت. بالإضافة إلى ذلك ، يعد الاختلاف في الخواص الفيزيائية مثل ثابت الشبكة ، والصلابة ، ومعامل التمدد الحراري (CTE) بين الماس ومواد كربيد الأسمنت سببًا رئيسيًا لقوة الترابط المنخفضة للطلاء. يعتبر الماس مكعبًا بلورة مع ثابت شعرية a0 = 0.35667 نانومتر ، صلابة 60 ~ 100 GPa ، و CTE من 0.8 ~ 4.5 × 10-6 / ° C. يتكون كربيد الأسمنت بشكل أساسي من جزيئات مرحاض ودراجة المشارك. WC بالنسبة للهيكل البلوري السداسي المعبأ ، ثابت شبكة شعرية = 0.30008 نانومتر ، ج = 0.47357 نانومتر ، صلابة كربيد الأسمنت حوالي 17 GPa ، و CTE حوالي 4.6 × 10-6 / درجة مئوية. ستؤدي هذه الاختلافات إلى طلاء الماس والإجهاد الحراري في واجهة الركيزة كربيد الأسمنت لا يفضي إلى التصاق طلاء الماس على الركيزة كربيد الأسمنت. وقد أظهرت عدد كبير من الدراسات أن المعالجة المسبقة لسطح الأسمنت الركيزة كربيد للحد من التأثير السلبي للالموثق المشارك على ترسب طلاء الماس هي الطريقة الأكثر فعالية لتحسين قوة الترابط للطبقة الماس / الركيزة كربيد الأسمنت. تتضمن طرق المعالجة الرئيسية الحالية ما يلي: (1) معالجة شركة إزالة الأسطح: تعتمد هذه الطريقة عادةً الوسائل الفيزيائية أو الكيميائية لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الطبقة السطحية لـ WC-Co وذلك لقمع أو إزالة تأثيرها السلبي وتحسين قوة الترابط بين الماس. طلاء والركيزة. من بينها ، الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصناعة هو "الطريقة المكونة من خطوتين للحامض" ، والتي تستخدم حل Murakami (1: 1: 10 KOH + K3 [Fe (CN) 6] + H2O) لتآكل WC الجزيئات وخشن سبائك الصلب. تم بعد ذلك حفر السطح باستخدام محلول حمض كارو (H2SO4 + H2O2) لإزالة السطح. وهذه الطريقة يمكن أن تمنع التأثير الحفاز السلبي لشركة Co إلى حد ما وتحسن قوة الترابط لطلاء الماس. ومع ذلك ، بعد المعالجة ، ستشكل منطقة فضفاضة بالقرب من الركيزة بالقرب من الطبقة السطحية ، وتقلل من قوة الكسر للأداة المطلية ، والشركة كلما زاد محتوى الموثق ، زاد التأثير على أداء الأداة بدرجة أكبر. ( 2) تطبيق طريقة طبقة انتقاليةالطريقة هي إعداد طبقة واحدة أو أكثر من طبقات الانتقال بين طلاء الماس والركيزة كربيد الأسمنت لمنع انتشار شركة وقمع تأثيرها الحفاز السلبي على ترسب الماس. من خلال الانتقاء والتصميم المعقول للمادة ، يمكن لطبقة الانتقال المجهزة أيضًا تقليل التغير المفاجئ في الخواص الفيزيائية للواجهة ، وتقليل الضغط الحراري الناجم عن الاختلافات في الخواص الفيزيائية مثل CTE بين الطلاء والركيزة. عمومًا لا يتسبب تطبيق طبقة الانتقال في إتلاف الطبقة السطحية للركيزة ، ولا يؤثر على الخواص الميكانيكية مثل قوة الكسر لأداة الطلاء ، ويمكنه إعداد الطلاء الماسي لـ CVD على كربيدات الأسمنت عالية المحتوى Co ، وبالتالي يتم حاليا البحث وتحسين WC- الطريقة المفضلة لربط طلاء الماس على سطح الركيزة Co.4. اختيار طبقات الانتقال وطرق التحضير وفقًا للتحليل السابق ، يمكن لتطبيق طريقة طبقة الانتقال أن يوقف بشكل فعال التأثير الحفاز السلبي للشركة ، ولن يؤدي إلى إتلاف المصفوفة. ومع ذلك ، لتحقيق فعالية زيادة قوة الترابط لطلاء الماس بشكل فعال ، فإن طريقة اختيار المواد والتحضير لطبقة الانتقال مهمة للغاية. يتطلب اختيار مواد الطبقة الانتقالية عمومًا اتباع عدة مبادئ: (1) لديها ثبات حراري جيد. درجة حرارة الترسيب لطلاء الألماس عادة ما تكون 600 ~ 1200 درجة مئوية ، مادة الطبقة الانتقالية يمكن أن تتحمل درجات حرارة أعلى ، لا تحدث تليين و الانصهار ؛ (2) يتم وضع خصائص الصلابة و CTE بشكل أفضل بين الماس وكربيد الأسمنت لتقليل الإجهاد الحراري الناجم عن أداء عدم التطابق ؛ (3) يمنع Co من الهجرة إلى السطح أثناء ترسب الماس أو يتفاعل مع Co لتشكيل مركبات مستقرة ؛ ( 4) لديها توافق جيد مع المواد الماس. يمكن للماس أن ينمو وينمو على سطح الطبقة الانتقالية. في مرحلة النواة ، يمكن للماس أن يكون سريع النواة وأن يكون لديه معدل نووي مرتفع. (5) الخواص الكيميائية مستقرة وذات قوة ميكانيكية معينة ، لتجنب تشكيل طبقة ناعمة متوسطة وتؤثر سلبًا على أداء الطلاء النظام. في الوقت الحاضر ، يدرس الناس ويستخدمون المزيد من طبقات الانتقال وتشمل المعادن وكربون النيتريد والمعادن وطبقات الانتقال المركبة المكونة منها. من بينها ، يتم استخدام Cr و Nb و Ta و Ti و Al و Cu بشكل عام كمواد طبقة انتقالية لطبقة الانتقال للمعادن ، ويتم استخدام PVD والطلاء بالكهرباء والطلاء بالكهرباء كطرق تحضير ، وطريقة PVD هي الأكثر استخداما. أظهرت النتائج أن طبقة الانتقال المكونة من فلز الكربون - فيلك أكثر فاعلية في تحسين قوة الترابط لطلاء الماس من فلز الكربون المعدني. في المرحلة الأولى من ترسب الماس ، يتم تشكيل طبقة من الكربيد أولاً على سطح الطبقة المعدنية ، وتسهل هذه الطبقة من كربيد التنوي ونمو الماس. ومع ذلك ، فإن طبقة الانتقال المعدنية لديها CTE كبيرة ومتطلبات عالية للسمك. إذا كان سميكًا جدًا ، فسيؤدي ذلك إلى زيادة الضغط الحراري ، وتقليل قوة الترابط ، ويكون نحيفًا جدًا لمنع الانتشار الخارجي لشركة Co. بالإضافة إلى ذلك ، تكون طبقة الانتقال المعدني ناعمة نسبيًا ، أي ما يعادل إضافة طبقة ناعمة في منتصف المرحلة الصعبة ، والتي لا تؤدي إلى درجة مطابقة لأداء نظام الطلاء. صلابة طبقة الانتقال الكربون / نيتريد أعلى من المعدن النقي ، وليس هناك مشكلة في الحد استخدام الأداء للأداة المغلفة. تعد WC و TiC و TaC و TaN و CrN و TiN و SiC حاليًا أكثر مركبات طبقة الانتقال التي تمت دراستها واستخدامًا. يتم تحضير طبقات الانتقال هذه عمومًا عن طريق التفاخر بالمغنطيس التفاعلي وغيرها من الطرق. لقد أظهرت الدراسات أن طبقة انتقال الكربون / النيتريد يمكنها أن تمنع بشكل فعال الانتشار الخارجي لـ Co ، وبالتالي يمكنها تحسين قوة الترابط لطلاء الماس إلى حد ما. تعتمد درجة تحسين قوة الترابط لطبقات الانتقال هذه عمومًا على مطابقة CTE لطبقة الانتقال مع المصفوفة والماس ، وهيكل طبقة النقل ، وقابلية طبقة الطبقة الانتقالية والماس. يكون للكربيدات المعدنية مستوى CTE أقل من نيتريدات المعادن ، وعند استخدام طبقات الانتقال من الكربيد ، يمكن أن يكون الماس مرقماً نووياً مباشرة على طبقة الانتقال ، مما يقلل من زمن النواة مقارنة بطبقات الانتقال بالمعادن وطبقات انتقال النتريد. من هذا يمكننا أن نرى أن الكربيدات هي واحدة من مواد طبقة الانتقال الأكثر مثالية. بين هذه المواد كربيد المعادن ، HfC ، NbC ، Ta C ، وما شابه ذلك لديها CTE منخفضة نسبيا. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي كربيد الكالسيوم غير المعدني SiC على أقل CTE في جميع الكربيدات (Si-SiCCTE = 3.8 × 10-6 / ° C) ، بين كربيد الأسمنت والماس. لذلك ، هناك العديد من الدراسات على طبقة الانتقال كربيد. على سبيل المثال ، استخدم Cabral G و Hei Hongjun طريقة CVD لإعداد طبقة الانتقال SiC على سطح كربيد الأسمنت لترسيب طلاء الماس. أظهرت النتائج أن طبقة الانتقال SiC يمكن أن تعزز بشكل فعال الترابط بين طلاء الماس وركيزة كربيد الأسمنت. الكثافة ، ولكن طريقة CVD أعدت مباشرة طلاء SiC على سطح كربيد الأسمنت ، ومحتوى الطور المشترك الموثق في الركيزة كربيد الأسمنت هو ليس من السهل أن تكون عالية جدًا (عمومًا <6٪) ، ويجب التحكم في درجة حرارة الترسب في نطاق منخفض (عمومًا 800 درجة مئوية أو نحو ذلك). ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الإجراء الحفاز لمرحلة Co-binder مهم في درجات الحرارة العالية ، مما يؤدي إلى تكوين شعيرات SiC ، وهناك كمية كبيرة من الفراغات بين الشعيرات ولا يمكن استخدامها كطبقة انتقالية . ومع ذلك ، في درجات حرارة ترسب منخفضة ، تكون طلاءات كربيد غير متبلرة فضفاضة عرضة للتحدث. لذلك ، فإن نطاق درجة حرارة الترسيب الكثيف والمستمر ، ويلبي الاستخدام كطبقة عازلة لطبقة الطلاء SiC يكون أصغر. لذلك ، عندما يستخدم بعض الباحثين SiC كطبقة انتقالية ، من أجل الحصول على قوة ربط عالية ، من الضروري أولاً استخدام النقش لإزالة Co في طبقة السبائك الصلبة. لذلك ، أصبح الإجراء الحفاز لـ Co أحد العوامل الرئيسية التي تحد من استخدام SiC كطبقة انتقالية. طبقة النقل المركبة عمومًا عبارة عن طبقة متعددة الطبقات تتكون من مزيج من نوعين أو أكثر من المعدن أو الكربون المعدني / مواد النيتريد. في الوقت الحالي ، هناك العديد من طبقات الانتقال المركبة بما في ذلك W / Al و W / WC و CrN / Cr و ZrN /. Mo ، TaN-Mo ، و 9 x (TaN / ZrN) / TaN / Mo ، إلخ ، هي أيضًا طرق PVD أو CVD. تشتمل طبقات الانتقال هذه عمومًا على طبقة حاجز الانتشار المنتشر وطبقة تعزيز النواة التي تشبه الماس ، أي أن المتطلبات الوظيفية لطبقة الانتقال تكون راضية تمامًا عن طريق استخدام مادة معقولة متعددة الطبقات. مقارنة بطبقة الانتقال المعدنية المفردة وطبقة انتقال الكربون / النيتريد ، فإن طبقة الانتقال المركبة أكثر ملاءمة لتحسين قوة الترابط بين طلاء الماس وركيزة كربيد الأسمنت. ومع ذلك ، من أجل الحصول على طبقة انتقالية مركبة ذات أداء ممتاز ، من الضروري عمومًا القيام باختيار وتصميم مواد معقول. خلاف ذلك ، قد لا يتحقق التأثير المتوقع بسبب وجود اختلافات كبيرة في الخواص الفيزيائية للمواد أو زيادة عدد الواجهات. من منظور طريقة إعداد طبقة الانتقال ، يستخدم الباحثون حاليًا ترسيب البخار الفعلي (PVD) ، الطلاء الكهربائي ، والطلاء بالكهرباء ، والأمراض القلبية الوعائية لإعداد طبقة الانتقال. عادة ما تكون طبقة الانتقال التي تم الحصول عليها والمصفوفة مرتبطة فعليًا أو موجودة فقط. طبقة نشر بسمك نانومتر ، تضيف واحدة أو أكثر من الواجهات الجديدة بين الركيزة الماسية للطلاء / الأسمنت. إن التغير المفاجئ في الخواص الفيزيائية مثل CTE والصلابة بين مادة الطبقة الانتقالية و WC-Co سوف يتسبب أيضًا في مشاكل الإجهاد البيني ، وسيزيد هذا التوتر البيني مع زيادة سمك طبقة الانتقال وعدد طبقات الانتقال ، تؤثر إلى حد ما. زيادة قوة الترابط. علاوة على ذلك ، وبصرف النظر عن SiC ، لا تزال هناك اختلافات كبيرة في الخواص مثل CTE والصلابة بين مواد الطبقة الانتقالية الأخرى والماس ، والتي لا تساعد على تحسين قوة الترابط. لذلك ، لاستكشاف طريقة تحضير جديدة للطبقة الانتقالية ، وللحصول على طبقة انتقالية بتدرج من التكوين والتكوين ، ولتجنب إجهاد الواجهة الناجم عن الواجهة الجديدة ، من المهم بشكل خاص تعزيز قوة الترابط للماس طلاء.
المصدر: ميو كربيد