¿Qué es el carburo recubierto de diamante?

1. CVD Diamond Introducción La deposición química de vapor (CVD) se refiere al uso del método CVD, en condiciones de baja presión, con gases que contienen carbono como H2 y CH4 como el gas de reacción, reacciones químicas bajo condiciones asistidas por plasma y ciertas condiciones de temperatura , resultando en la deposición de partículas sólidas. Diamante obtenido sobre la superficie del sustrato calentado. Similar al diamante natural, el diamante CVD es un cristal de un solo átomo de carbono y pertenece a un sistema cúbico. Cada átomo de C en el cristal forma un enlace covalente con un orbital híbrido sp 4 y otros 4 átomos de C, y tiene una fuerte fuerza de unión y estabilidad. Naturaleza y direccionalidad; la longitud del enlace y el ángulo de enlace entre los átomos de C y los átomos de C son iguales, y están dispuestos en una estructura de red espacial ideal, lo que hace que los diamantes CVD exhiban propiedades mecánicas, térmicas, ópticas y eléctricas comparables de los diamantes naturales. Desempeño integral Como todos sabemos, las reservas naturales de diamantes en el mundo natural, los costos de minería son altos, el precio es caro y es difícil promover ampliamente la aplicación en el campo industrial. Por lo tanto, la síntesis de diamante por métodos artificiales como alta temperatura y alta presión (HTHP) y CVD se ha convertido gradualmente en la forma principal para que las personas obtengan estos excelentes materiales con excelentes propiedades. Los productos de diamante sintetizados por el método HTHP están generalmente en el estado de partículas discretas de un solo cristal. Aunque el método HTHP ha sido capaz de sintetizar grandes cristales individuales con diámetros mayores a 10 mm con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los productos actuales son en su mayoría cristales individuales con un diámetro de 5 mm o menos. Y principalmente diamante en polvo. En contraste, el tamaño del cristal único de diamante sintetizado por el método CVD se determina por el tamaño del cristal semilla, y también se puede obtener un cristal único de diamante de mayor tamaño utilizando métodos de crecimiento múltiple y crecimiento en "mosaico". Además, el método CVD también se puede usar para preparar películas autoportantes de diamante de gran área mediante deposición heteroepitaxial o para recubrir diamantes en la superficie de varias formas complejas para formar un recubrimiento protector o resistente al desgaste, que amplía enormemente la aplicación de diamante. Se puede observar que el diamante CVD tiene una gama muy amplia de perspectivas de aplicación en muchos campos, como el mecanizado, la defensa y la industria nuclear. Entre ellos, la aplicación en la industria del maquinado incluye principalmente rectificadoras de muelas, recortes, varias herramientas de corte, etc. Cuando se utilizan en estos aspectos, solo participan la dureza, la resistencia al desgaste y la estabilidad química del diamante, y la transparencia no está involucrada. necesario. Las propiedades como la pérdida dieléctrica y la preparación del producto son relativamente fáciles, por lo que la aplicación en la herramienta es el campo principal de la aplicación industrial a gran escala de CVD diamond.2. Herramientas de carburo recubiertas con diamante CVD Las cortadoras de diamante actualmente en el mercado incluyen principalmente herramientas de diamante de cristal único, herramientas de diamante policristalino (PCD), herramientas de soldadura de película de diamante grueso y herramientas recubiertas de diamante. Las dos últimas son aplicaciones del diamante CVD como herramienta. Entre ellos, la herramienta de soldadura de película gruesa de diamante se prepara generalmente cortando una película gruesa de diamante autoportante CVD con un grosor de 0,3 mm o más y luego soldándola a un sustrato. Debido a que las películas de diamante grueso se pueden cortar en cualquier forma bidimensional, son menos costosas y más flexibles que las herramientas de un solo cristal. Además, los co-enlaces no se incluyen en las películas de diamante grueso en comparación con las herramientas de PCD. Alta precisión de mecanizado y alta relación de desgaste. Para herramientas recubiertas con diamante, el método CVD se utiliza para aplicar un recubrimiento de diamante de menos de 30 μm de espesor en la superficie del cuerpo de la herramienta. En comparación con las otras tres herramientas, el método CVD puede aplicar diamante a herramientas con formas complejas que incluyen varios taladros, fresas, etc .; y como el recubrimiento de diamante es fino y el tiempo de deposición es corto, la herramienta recubierta no necesita seguimiento. Procesamiento, por lo que el costo es bajo. Por lo tanto, el análisis actual del mercado de herramientas generalmente considera que las herramientas recubiertas con diamante CVD serán una de las direcciones de desarrollo más importantes de la industria de las herramientas. De los muchos materiales de herramientas, el carburo cementado WC-Co es el más utilizado. No solo tiene una alta dureza, excelente estabilidad térmica, sino que también tiene una alta resistencia y buena resistencia. Es el recubrimiento ideal de diamante. Material de la base de la herramienta de la capa. Las herramientas de corte de carburo recubierto de diamante CVD recubiertas con diamante CVD preparadas a partir de diamante CVD en la superficie del carburo cementado WC-Co pueden combinar perfectamente la excelente resistencia al desgaste, la disipación de calor y la buena tenacidad del carburo cementado. Resuelva efectivamente la contradicción entre la dureza y la tenacidad de los materiales de herramientas existentes, y mejore considerablemente el rendimiento de corte y la vida útil de las herramientas de carburo. En el metal no ferroso y sus aleaciones, varias partículas o materiales compuestos reforzados con fibra, cerámicas de alto rendimiento y otros materiales de procesamiento. El campo tiene una amplia gama de aplicaciones prospectivas. 1 Corte de los bordes de (a) la herramienta sin recubrimiento y (b) la herramienta con recubrimiento de diamante después de las pruebas de corteFig. 2 Canales de fresado de extremo representativos en aleación de Al después de ser cortados por (a) herramienta no recubierta y (b) herramienta recubierta con diamanteEn resumen, las herramientas de carburo recubiertas con diamante exhiben un excelente rendimiento en términos de torneado, fresado y taladrado. Por ejemplo, el desgaste del filo de corte es pequeño, la vida útil es larga y el mecanizado no se "pega" y la alta precisión de procesamiento. Por lo tanto, en comparación con otras herramientas, las herramientas de carburo recubiertas con diamante pueden satisfacer mejor los requisitos de procesamiento de los nuevos materiales actuales y el corte de ultraprecisión. 3. Problemas y soluciones de las herramientas de carburo recubierto con diamante CVD. Aunque una gran cantidad de resultados de investigación han demostrado que las herramientas de carburo recubierto con diamante CVD tienen un excelente rendimiento y una larga vida útil, también hay informes de ensayos de producción exitosos realizados por algunos fabricantes en el país y en el extranjero. Pero hasta ahora, esta herramienta no se ha aplicado en la producción industrial a gran escala. La razón principal es que las herramientas recubiertas con diamante que se producen actualmente todavía tienen problemas, como la baja fuerza de unión entre el recubrimiento y el sustrato, la gran rugosidad de la superficie del recubrimiento de diamante y la estabilidad de mala calidad. Entre ellos, la baja resistencia de adherencia del recubrimiento es un obstáculo técnico clave que limita la aplicación a gran escala de esta herramienta. La principal razón de la baja adherencia de los recubrimientos de diamante es la presencia de fases coadhesivas en sustratos de carburo cementado. A temperaturas de deposición de diamante CVD (600 ~ 1200 ° C), el Co tiene una alta presión de vapor de saturación, se difundirá rápidamente a la superficie del sustrato, inhibirá la nucleación y el crecimiento del diamante y catalizará la formación de grafito y carbono amorfo, lo que llevará al recubrimiento del diamante y La resistencia de la unión entre los sustratos de carburo cementado se reduce. Además, la diferencia en las propiedades físicas, como la constante de celosía, la dureza y el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el diamante y los materiales de carburo cementado, también es una causa importante de la baja fuerza de unión del revestimiento. El diamante es una cúbica centrada en la cara. cristal con una constante de red a0 = 0.35667 nm, una dureza de 60 ~ 100 GPa y un CTE de 0.8 ~ 4.5 × 10-6 / ° C. El carburo cementado consiste principalmente en partículas de WC y un aglutinante de Co. WC Para la estructura de cristal hexagonal compacto, la constante de red a = 0.30008 nm, c = 0.47357 nm, la dureza del carburo cementado es de aproximadamente 17 GPa, y el CTE es de aproximadamente 4.6 × 10-6 / ° C. Estas diferencias darán como resultado un revestimiento de diamante y la tensión térmica en la interfaz del sustrato de carburo cementado no es propicia para la adhesión del revestimiento de diamante sobre el sustrato de carburo cementado. Un gran número de estudios han demostrado que el tratamiento previo de la superficie del cemento cementado El sustrato de carburo para reducir el efecto adverso del aglutinante de Co en la deposición del recubrimiento de diamante es el método más efectivo para mejorar la resistencia de unión del substrato de recubrimiento de diamante / carburo cementado. Los principales métodos actuales de pretratamiento incluyen: (1) Tratamiento de Co de eliminación de superficie. Este método generalmente adopta medios físicos o químicos para eliminar el Co de la capa superficial de WC-Co para suprimir o eliminar su influencia negativa y mejorar la resistencia de la unión entre el diamante. Revestimiento y el sustrato. Entre ellos, el más utilizado en la industria es el "método ácido-base de dos pasos", que utiliza la solución de Murakami (1: 1: 10 KOH + K3 [Fe (CN) 6] + H2O) para corroer el WC. Partículas y rugosas de la aleación dura. Luego se grabó la superficie con una solución de ácido caro (H2SO4 + H2O2) para eliminar la superficie Co. Este método puede inhibir el efecto catalítico negativo de Co en cierta medida y mejorar la resistencia de la unión del recubrimiento de diamante. Sin embargo, después del procesamiento, formará una zona suelta cerca del sustrato cerca de la capa superficial, reducirá la resistencia a la fractura de la herramienta recubierta y el Co Cuanto más alto sea el contenido del aglomerante, más severo será el impacto en el rendimiento de la herramienta. ( 2) Aplicar un método de capa de transición. El método consiste en preparar una o más capas de capas de transición entre el recubrimiento de diamante y el sustrato de carburo cementado para bloquear la difusión de Co y suprimir su efecto catalítico negativo sobre la deposición de diamante. A través de una selección y diseño de materiales razonables, la capa de transición preparada también puede reducir el cambio abrupto de las propiedades físicas de la interfaz y reducir la tensión térmica causada por las diferencias en las propiedades físicas como el CTE entre el recubrimiento y el sustrato. La aplicación del método de capa de transición generalmente no causa daño a la capa superficial del sustrato, ni afecta las propiedades mecánicas como la resistencia a la fractura de la herramienta de recubrimiento, y puede preparar recubrimientos de diamante CVD en carburos cementados con alto contenido de Co y, por lo tanto, actualmente está investigando y mejorando el WC: el método preferido para unir el revestimiento de diamante en la superficie de sustrato de Co.4. Selección de capas de transición y métodos de preparación De acuerdo con el análisis anterior, la aplicación del método de capa de transición puede suprimir efectivamente el efecto catalítico negativo de Co, y no dañará la matriz. Sin embargo, para lograr efectivamente la función de aumentar la resistencia de la unión del revestimiento de diamante, la selección del material y el método de preparación de la capa de transición es muy importante. La selección de los materiales de la capa de transición generalmente requiere seguir varios principios: (1) Tiene una buena estabilidad térmica. La temperatura de deposición del recubrimiento de diamante es generalmente de 600 a 1200 ° C, el material de la capa de transición puede soportar temperaturas más altas, no se ablanda y fundición; (2) Las propiedades de dureza y CTE se colocan mejor entre el diamante y el carburo cementado para reducir la tensión térmica causada por el desajuste del rendimiento; (3) Evita que el Co migre a la superficie durante la deposición del diamante o reacciona con el Co para formar compuestos estables; 4) Tiene buena compatibilidad con materiales de diamante. El diamante puede nuclearse y crecer en la superficie de la capa de transición. En la etapa de nucleación, el diamante puede nuclear rápidamente y tener una alta tasa de nucleación. (5) Las propiedades químicas son estables y tienen una cierta resistencia mecánica, para evitar la formación de una capa intermedia suave y afectar negativamente el rendimiento del recubrimiento. sistema. En la actualidad, las personas que estudian y usan más capas de transición incluyen principalmente metales, carbono / nitruros metálicos y capas de transición compuestas compuestas de ellos. Entre ellos, Cr, Nb, Ta, Ti, Al y Cu se usan generalmente como materiales de capa de transición para la capa de transición de metal, y el PVD, la galvanoplastia y el recubrimiento electrolítico se usan comúnmente como métodos de preparación, y el método de PVD es más ampliamente usado. Los resultados muestran que la capa de transición formada por el metal carbono-fílico es más eficaz para mejorar la resistencia de la unión del recubrimiento de diamante que el metal de carbono débil. En la etapa inicial de la deposición del diamante, primero se forma una capa de carburo en la superficie de la capa metálica, y esta capa de carburo facilita la nucleación y el crecimiento del diamante. Sin embargo, la capa de transición metálica tiene un CTE grande y un alto requisito para el espesor. Si es demasiado grueso, aumentará la tensión térmica, disminuirá la resistencia de la unión y será demasiado delgado para bloquear completamente la difusión hacia el exterior. Además, la capa de transición de metal es relativamente suave, lo que equivale a agregar una capa blanda en el medio de la fase dura, que no es propicia para el grado de adaptación del rendimiento del sistema de recubrimiento. La dureza de la capa de transición de carbono / nitruro es más alta que la del metal puro, y no hay problema de reducción El rendimiento de uso de la herramienta recubierta. Los compuestos de capa de transición más estudiados y utilizados son actualmente WC, TiC, TaC, TaN, CrN, TiN y SiC. Dichas capas de transición se preparan generalmente mediante pulverización catódica reactiva y otros métodos. Los estudios han demostrado que la capa de transición de carbono / nitruro puede bloquear efectivamente la difusión de Co, y por lo tanto puede mejorar la resistencia de la unión del recubrimiento de diamante hasta cierto punto. El grado de mejora de la resistencia de la unión de dichas capas de transición generalmente depende de la correspondencia del CTE de la capa de transición con la matriz y el diamante, la estructura de la capa de transición y la humectabilidad del material de la capa de transición y el diamante. los carburos metálicos tienen un CTE más bajo que los nitruros metálicos, y cuando se usan capas de transición de carburo, los diamantes pueden ser nucleados directamente en la capa de transición, lo que acorta el tiempo de nucleación en comparación con las capas de transición de metal y las capas de transición de nitruro. De esto podemos ver que los carburos son uno de los materiales de capa de transición más ideales. Entre estos materiales de carburo metálico, HfC, NbC, Ta C, y similares tienen un CTE relativamente bajo. Además, el carburo no metálico SiC tiene el CTE más bajo en todos los carburos (β-SiCCTE = 3.8 × 10-6 / ° C), que se encuentra entre el carburo cementado y el diamante. Por lo tanto, hay muchos estudios sobre la capa de transición SiC. Por ejemplo, Cabral G y Hei Hongjun utilizaron el método CVD para preparar la capa de transición de SiC en la superficie del carburo cementado para la deposición del recubrimiento de diamante. Los resultados muestran que la capa de transición de SiC puede mejorar efectivamente la unión entre el recubrimiento de diamante y el sustrato de carburo cementado. La intensidad, pero el método CVD preparó directamente el recubrimiento de SiC en la superficie del carburo cementado, el contenido de la fase Co Co del ligante en el substrato de carburo cementado es no es fácil ser demasiado alto (generalmente <6%), y la temperatura de deposición debe controlarse en un rango bajo (generalmente 800 ° C o menos). Esto se debe principalmente al hecho de que la acción catalítica de la fase de Co-aglutinante es significativa a altas temperaturas, lo que resulta en la formación de bigotes de SiC, y hay una gran cantidad de huecos entre los bigotes y no se puede utilizar como una capa de transición. . Sin embargo, a bajas temperaturas de deposición, es probable que se produzcan recubrimientos de SiC amorfos sueltos. Por lo tanto, un intervalo de temperatura de deposición que es denso, continuo y que satisface el uso como capa de protección de la capa de recubrimiento de SiC se hace más pequeño. Por lo tanto, cuando algunos investigadores usan SiC como capa de transición, para obtener una alta fuerza de adhesión, es necesario primero usar el grabado para eliminar el Co en la capa de aleación dura. Por lo tanto, la acción catalítica de Co se ha convertido en uno de los factores clave que limitan el uso de SiC como capa de transición. La capa de transición compuesta generalmente es un recubrimiento de múltiples capas compuesto por una combinación de dos o más tipos de metal o metal carbono / Materiales de nitruro. En la actualidad, hay muchas capas de transición compuestas que incluyen W / Al, W / WC, CrN / Cr y ZrN /. Mo, TaN-Mo y 9x (TaN / ZrN) / TaN / Mo, etc., también son en su mayoría métodos PVD o CVD. Dichas capas de transición generalmente incluyen una capa de barrera de difusión de Co y una capa que promueve la nucleación de tipo diamante, es decir, los requisitos funcionales de la capa de transición se satisfacen completamente utilizando un material multicapa razonable. En comparación con la capa de transición metálica simple y la capa de transición de carbono / nitruro, la capa de transición compuesta es más propicia para mejorar la resistencia de la unión entre el recubrimiento de diamante y el sustrato de carburo cementado. Sin embargo, para obtener una capa de transición compuesta con un rendimiento excelente, generalmente es necesario realizar una selección y diseño de materiales razonables. De lo contrario, es posible que el efecto esperado no se logre debido a las grandes diferencias en las propiedades físicas de los materiales o al mayor número de interfaces. Desde la perspectiva del método de preparación de la capa de transición, actualmente los investigadores utilizan principalmente la deposición física de vapor (PVD). galvanoplastia, galvanización electrolítica y CVD para preparar la capa de transición. La capa de transición obtenida y la matriz generalmente están unidas físicamente o solo existieron. Una capa de difusión de espesor nanométrico, que agrega una o más interfaces nuevas entre el recubrimiento de diamante / sustrato de cemento. Un cambio repentino en las propiedades físicas como el CTE y la dureza entre el material de la capa de transición y WC-Co también causará problemas de tensión interfacial, y esta tensión interfacial aumentará con el aumento del grosor de la capa de transición y el número de capas de transición. afectando en cierta medida. Mayor fuerza de unión. Además, aparte del SiC, todavía hay grandes diferencias en las propiedades como el CTE y la dureza entre otros materiales de la capa de transición y los diamantes, lo que no es propicio para la mejora de la resistencia de la unión. Por lo tanto, para explorar un nuevo método de preparación de la capa de transición, para obtener una capa de transición con un gradiente de composición y composición, y para evitar la tensión de la interfaz causada por la nueva interfaz, es particularmente importante mejorar la fuerza de unión del diamante. revestimiento.
Fuente: Meeyou Carbide