다이아몬드 코팅 탄화물이란 무엇입니까?

1. CVD Diamond 소개 CVD (Chemical Vapor Deposition) 다이아몬드는 저압 조건에서 반응 가스로 H2 및 CH4와 같은 탄소 함유 가스, 플라즈마 보조 및 특정 온도 조건에서 화학 반응을 사용하는 CVD 방법을 의미합니다 가열 된 기판 표면에서 얻어진 고체 입자 증착 다이아몬드를 생성한다. 천연 다이아몬드와 마찬가지로, CVD 다이아몬드는 단일 탄소 원자의 결정이며 큐빅 계에 속합니다. 결정 중의 각각의 C 원자는 sp 4 하이브리드 궤도 및 또 다른 4 개의 C 원자와 공유 결합을 형성하고 강한 결합력 및 안정성을 갖는다. 자연과 방향; C 원자와 C 원자 사이의 결합 길이와 결합 각은 동일하며 이상적인 공간 네트워크 구조로 배열되어 CVD 다이아몬드가 천연 다이아몬드의 기계적, 열적, 광학적 및 전기적 특성을 비교할 수있게합니다. 포괄적 인 성능 우리 모두가 알다시피 자연 세계의 천연 다이아몬드 매장량은 광업 비용이 높고 가격이 비싸기 때문에 산업 분야에서 널리 적용하기가 어렵습니다. 따라서, 고온 고압 (HTHP) 및 CVD와 같은 인공적인 방법에 의한 다이아몬드의 합성은 점차 우수한 특성을 갖는 우수한 물질을 얻기위한 주요 방법이되었다. HTHP 방법에 의해 합성 된 다이아몬드 생성물은 일반적으로 분리 된 단결정 입자 상태에있다. HTHP 방법은 과학과 기술의 발달로 10mm보다 큰 직경을 가진 큰 단결정을 합성 할 수 있었지만 현재의 제품은 직경이 5mm 이하인 단결정이다. 그리고 주로 다이아몬드 파우더. 반대로, CVD 법에 의해 합성 된 다이아몬드 단결정의 크기는 종 결정의 크기에 의해 결정되고, 더 큰 크기의 다이아몬드 단결정은 다중 성장 및 "모자이크"성장 방법을 사용하여 또한 수득 될 수있다. 또한, CVD 방법은 헤테로 에피 텍셜 증착에 의한 대 면적 다이아몬드 자립 필름을 제조하거나 내마모성 또는 보호 성 코팅을 형성하기 위해 다양한 복잡한 형상의 표면에 다이아몬드를 코팅하여 적용 범위를 크게 확대 할 수 있습니다 다이아몬드. CVD 다이아몬드는 가공, 방위 및 원자력 산업과 같은 많은 분야에서 매우 광범위한 응용 가능성을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 그 중에서도 가공 산업의 응용 분야는 주로 연삭 휠 드레서, 트리밍 펜, 다양한 절삭 공구 등을 포함합니다. 이러한 측면에서 사용되는 경우 다이아몬드의 경도, 내마모성 및 화학적 안정성 만이 관련되며 투명성은 아닙니다 필수. 유전체 손실 및 제품 준비와 같은 특성은 비교적 쉽기 때문에이 툴의 적용은 CVD 다이아몬드의 대규모 산업 응용 분야의 주요 분야입니다. CVD 다이아몬드 코팅 탄화물 공구 현재 시장에 나와있는 다이아몬드 커터는 주로 단결정 다이아몬드 공구, PCD (polycrystalline diamond) 공구, 다이아몬드 두꺼운 필름 용접 공구 및 다이아몬드 코팅 공구를 포함합니다. 후자의 두 가지는 CVD 다이아몬드를 도구로 사용하는 것입니다. 그 중에서도, 다이아몬드 후막 접합 툴은 일반적으로 0.3mm 이상의 두께를 갖는 CVD 자기 지지형 다이아몬드 후막을 절단하여 기판 상에 용접함으로써 제조된다. 다이아몬드 두꺼운 필름은 어떤 2 차원 형상으로 절단 될 수 있기 때문에 단결정 공구보다 저렴하고 유연합니다. 또한 Co-bond는 PCD 툴에 비해 다이아몬드 두꺼운 필름에 포함되지 않습니다. 높은 가공 정확도와 높은 마모 비율. 다이아몬드 코팅 공구의 경우 CVD 방법을 사용하여 공구 본체 표면에 30μm 미만의 다이아몬드 코팅을 적용합니다. 다른 세 가지 도구와 비교하여 CVD 방법은 다양한 드릴, 밀링 커터 등 복잡한 모양의 도구에 다이아몬드를 적용 할 수 있습니다. 다이아몬드 코팅이 얇고 증착 시간이 짧기 때문에 코팅 된 공구는 후속 조치가 필요하지 않습니다. 가공, 그래서 비용이 낮습니다. 따라서 현재 도구 시장 분석은 일반적으로 CVD 다이아몬드 코팅 공구가 공구 산업의 가장 중요한 개발 방향 중 하나라고 믿습니다. 많은 도구 재료 중에서 WC-Co 초경합금이 가장 널리 사용됩니다. 그것은 높은 경도, 우수한 열 안정성뿐만 아니라 높은 강도와 좋은 인성을 가지고 있습니다. 이상적인 다이아몬드 코팅입니다. 레이어 도구 기본 재료. WC-Co 초경 합금의 표면에 CVD 다이아몬드로 준비된 CVD 다이아몬드 코팅 된 CVD 코팅 된 초경 절삭 공구는 다이아몬드의 뛰어난 내마모성, 열 발산 및 초경합금의 우수한 인성을 완벽하게 결합 할 수 있습니다. 기존 공구 재료의 경도와 인성 사이의 모순을 효과적으로 해결하고 초경 공구의 절삭 성능과 수명을 크게 향상시킵니다. 비철금속 및 그 합금에는 다양한 입자 또는 섬유 강화 복합 재료, 고성능 세라믹 및 기타 재료 가공 분야에서 광범위한 응용 가능성이 있습니다. 1 절삭 시험 후 (a) 코팅되지 않은 공구와 (b) 다이아몬드로 코팅 된 공구의 절삭 날. 2 (a) 코팅되지 않은 공구 및 (b) 다이아몬드로 코팅 된 공구 요약하면 다이아몬드 코팅 된 초경 공구는 터닝, 밀링 및 드릴링 측면에서 우수한 성능을 나타냅니다. 예를 들어, 절삭 날의 마모가 적고 수명이 길며 가공이 "고착"되지 않고 가공 정밀도가 높습니다. 따라서 다른 공구와 비교하여 다이아몬드 코팅 카바이드 공구는 현재의 신소재 및 초정밀 절단의 가공 요구 사항을보다 잘 충족시킬 수 있습니다. 3. CVD 다이아몬드 코팅 카바이드 공구의 문제점 및 해결 방법 많은 연구 결과에 따르면 CVD 다이아몬드 코팅 카바이드 공구는 뛰어난 성능과 긴 사용 수명을 가지고 있음이 밝혀졌지만 국내외 몇몇 제조업체의 성공적인 생산 시험 보고서도 있습니다. 그러나 지금까지이 도구는 대규모 산업 생산에 적용되지 않았습니다. 주된 이유는 현재 생산 된 다이아몬드 코팅 공구가 여전히 코팅과 기판 사이의 결합 강도가 낮고 다이아몬드 코팅의 표면 거칠기가 크며 품질 안정성이 낮다는 것입니다. 그 중에서도 코팅의 낮은 결합 강도는이 공구의 대규모 적용을 제한하는 핵심 기술적 인 장애물입니다. 다이아몬드 코팅의 낮은 결합 강도의 주된 이유는 초경 카바이드 기재에서 Co 결합 상 (Co-bonded phases)의 존재입니다. CVD 다이아몬드 증착 온도 (600 ~ 1200 ° C)에서 Co는 높은 포화 증기압을 가지며 기판 표면으로 급속히 확산되고 다이아몬드 핵 생성 및 성장을 억제하며 흑연과 비정질 탄소의 형성을 촉매하여 다이아몬드 코팅 및 초경합금 기질 간의 접합 강도는 감소된다. 또한, 격자 상수, 경도 및 다이아몬드와 초경합금 재료 사이의 열팽창 계수 (CTE)와 같은 물리적 특성의 차이도 코팅의 낮은 결합 강도의 주요 원인입니다. 다이아몬드는 면심 입방 격자 상수 a0 = 0.35667 nm, 경도 60 ~ 100 GPa, CTE 0.8 ~ 4.5 × 10-6 / ℃의 결정질이다. 초경합금은 주로 WC 입자와 Co 바인더로 구성됩니다. WC 단결정 육방 결정 구조의 경우, 격자 상수 a = 0.30008 nm, c = 0.47357 nm, 초경합금의 경도는 약 17 GPa, 열팽창 계수는 약 4.6 × 10-6 / ℃이다. 이러한 차이는 다이아몬드 코팅을 초래할 것이며 초경합금 기판의 계면에서의 열 응력은 초경 카바이드 기판 상에 다이아몬드 코팅의 접착에 도움이되지 않는다. 다수의 연구에서 시멘트 화 된 표면의 전처리 다이아몬드 코팅의 부착에 대한 Co 결합제의 악영향을 감소시키기위한 카바이드 기재는 다이아몬드 코팅 / 초경 합금 기재의 결합 강도를 개선시키는 가장 효과적인 방법이다. 현재 주요 전처리 방법은 다음과 같습니다. (1) 표면 제거 Co 처리이 방법은 보통 WC-Co 표층의 Co를 제거하여 물리적 영향을 제거하거나 제거하여 다이아몬드 간의 결합 강도를 향상시키는 물리적 또는 화학적 수단을 사용합니다 코팅 및 기판. 그 중에서도 업계에서 가장 널리 사용되는 것은 무라카미 용액 (1 : 1 : 10 KOH + K3 [Fe (CN) 6] + H2O)을 사용하여 WC를 부식시키는 "산성 2 단계 방법" 입자를 제거하고 경질 합금을 거칠게 만듭니다. 표면을 제거하기 위해 Caro 산 용액 (H2SO4 + H2O2)을 사용하여 표면을 에칭했다.이 방법은 Co의 부정적인 촉매 효과를 어느 정도 억제하고 다이아몬드 코팅의 결합 강도를 향상시킬 수있다. 그러나 가공 후에는 표면 근처의 기판 근처에 느슨한 영역을 형성하고 코팅 된 공구의 파단 강도를 감소 시키며 결합제의 함량이 높을수록 공구 성능에 미치는 영향이 더 심합니다. 2) 전이 층 방법을 적용하십시오.이 방법은 Co의 확산을 차단하고 다이아몬드 증착에 대한 부정적인 촉매 효과를 억제하기 위해 다이아몬드 코팅과 초경합금 기판 사이에 하나 이상의 전이 층 층을 준비하는 것입니다. 합리적인 재료 선택 및 설계를 통해, 준비된 전이 층은 또한 계면의 물리적 특성의 급격한 변화를 감소시키고, 코팅과 기판 사이의 CTE와 같은 물리적 특성의 차이에 의해 야기되는 열 응력을 감소시킬 수있다. 전이 층 방법의 적용은 일반적으로 기재의 표면층을 손상 시키거나 코팅 공구의 파단 강도와 같은 기계적 성질에 영향을 미치지 않으며 고 Co 함량의 초경합금에 CVD 다이아몬드 코팅을 제조 할 수있다 , 현재 WC를 연구하고 개선하고있다. Co 기판 표면에 다이아몬드 코팅을 결합시키는 바람직한 방법 .4. 전이 층의 선택과 준비 방법 전의 분석에 따르면 전이 층 방법을 적용하면 Co의 음의 촉매 효과를 효과적으로 억제 할 수 있으며 매트릭스를 손상시키지 않습니다. 그러나, 다이아몬드 코팅의 결합 강도를 증가시키는 기능을 효과적으로 달성하기 위해서는 전이 층의 재료 선택 및 제조 방법이 매우 중요하다. 전이 층 재료 선택은 일반적으로 다음과 같은 몇 가지 원칙을 요구합니다. (1) 열 안정성이 좋습니다. 다이아몬드 코팅의 증착 온도는 일반적으로 600 ~ 1200 ° C이며, 전이 층 재료는 고온에 견딜 수 있고 연화가 일어나지 않으며 (3) 불량 성능으로 인한 열 응력을 줄이기 위해 경질 및 CTE 특성을 다이아몬드와 초경합금 사이에 두는 것이 가장 좋다 (3) 다이아몬드 침착 중에 Co가 표면으로 이동하거나 Co와 반응하여 안정한 화합물을 형성하는 것을 방지한다. 4) 다이아몬드 소재와의 상용 성이 우수합니다. 다이아몬드는 전환 층의 표면에서 핵 생성 및 성장할 수 있습니다. 핵 형성 단계에서, 다이아몬드는 빠르게 핵을 생성 할 수 있고 높은 핵 형성 속도를 가질 수있다. (5) 화학적 특성은 안정적이며 일정한 기계적 강도를 가지므로 연질 중간층의 형성을 피하고 코팅의 성능에 악영향을 미친다. 현재, 사람들은 주로 금속, 금속 탄소 / 질화물 및 이들로 구성된 합성 전이 층을 포함하여 더 많은 전이 층을 연구하고 사용합니다. 그 중에서 금속 전이 층의 전이 층 재료로는 Cr, Nb, Ta, Ti, Al, Cu가 일반적으로 사용되고 있으며, 제조 방법으로 PVD, 전기 도금 및 무전 해 도금이 일반적으로 사용되고 있으며 PVD 법은 가장 널리 사용됩니다. 결과는 탄소 친 화성 금속에 의해 형성된 전이 층이 약한 탄소 금속보다 다이아몬드 피막의 결합 강도를 향상시키는 데 더 효과적이라는 것을 보여준다. 다이아몬드 증착의 초기 단계에서, 먼저 탄화물 층이 금속층의 표면 상에 형성되고,이 탄화물 층은 다이아몬드의 핵 형성 및 성장을 촉진시킨다. 그러나, 금속 전이 층은 큰 CTE 및 두께에 대한 높은 요구를 갖는다. 너무 두꺼우면 열 응력이 증가하고 결합 강도가 감소하며 너무 얇아서 Co의 외부 확산을 완전히 차단할 수 없습니다. 또한 금속 전이 층은 상대적으로 부드럽습니다. 하드 시스템의 중간에 부드러운 층이있어 코팅 시스템 성능의 일치 정도에 도움이되지 않습니다. 탄소 / 질화물 전이 층의 경도는 순수 금속의 경도보다 높으며, 감소의 문제는 없습니다 코팅 된 도구의 사용 성능. WC, TiC, TaC, TaN, CrN, TiN 및 SiC는 현재 가장 많이 연구되고 사용되고있는 전이 층 화합물이다. 이러한 전이 층은 일반적으로 반응성 마그네트론 스퍼터링 및 다른 방법에 의해 제조된다. 탄소 / 질화물 천이 층은 Co의 외부 확산을 효과적으로 차단하여 다이아몬드 코팅의 결합 강도를 어느 정도 향상시킬 수 있다는 연구 결과가있다. 이러한 전이 층의 결합 강도의 개선 정도는 일반적으로 전이 층의 CTE와 매트릭스 및 다이아몬드의 정합, 전이 층의 구조 및 전이 층 재료 및 다이아몬드의 습윤성에 의존한다. 일반적으로 금속 탄화물은 금속 질화물보다 낮은 CTE를 가지며, 카바이드 전이 층이 사용되는 경우, 다이아몬드는 전이 층에서 직접 핵 생성 될 수있어 금속 전이 층 및 질화물 전이 층과 비교하여 핵 형성 시간을 단축시킨다. 이것으로부터 탄화물은보다 이상적인 전이 층 재료 중 하나라는 것을 알 수 있습니다. 이들 금속 탄화물 재료 중에서, HfC, NbC, TaC 등은 비교적 낮은 CTE를 갖는다. 또한, 비금속 카바이드 SiC는 초경합금과 다이아몬드 사이의 모든 탄화물 (β-SiCCTE = 3.8 × 10-6 / ℃)에서 가장 낮은 CTE를 갖는다. 따라서, SiC 전이 층에 대한 많은 연구가있다. 예를 들어, Cabral G와 Hei Hongjun은 다이아몬드 코팅의 증착을 위해 초경합금 표면에 SiC 전이 층을 제조하기 위해 CVD 방법을 사용했습니다. 결과는 SiC 전이 층이 다이아몬드 코팅과 초경 카바이드 기판 사이의 결합을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여준다. 강도는 있으나 CVD 방법은 초경합금 표면에 직접 SiC 코팅을 만들었고 초경합금 기판의 Co 결합제 함량은 (일반적으로 <6 %) 너무 높지 않고 증착 온도는 낮은 범위 (일반적으로 800 ° C 정도)에서 제어해야합니다. 이것은 주로 Co 결합제상의 촉매 작용이 고온에서 현저하여 SiC 위스커가 형성되고 위스커 사이에 많은 양의 공극이 있고 전이 층으로 사용할 수 없다는 사실에 기인합니다 . 그러나, 낮은 증착 온도에서 느슨한 비정질 SiC 코팅이 발생하기 쉽다. 따라서, SiC 코팅층의 완충층으로서의 용도를 만족시키고, 치밀하고 연속적인 성막 온도 범위가 작아진다. 따라서, 일부 연구자가 SiC를 전이 층으로 사용하는 경우 높은 결합 강도를 얻기 위해서는 먼저 하드 합금 층에서 Co를 제거하기 위해 에칭을 사용해야합니다. 따라서, Co의 촉매 작용은 전이 층으로서의 SiC의 사용을 제한하는 핵심 요소 중 하나가되었다. 복합 전이 층은 일반적으로 2 종 이상의 금속 또는 금속 탄소 / 질화물 재료. 현재, W / Al, W / WC, CrN / Cr 및 ZrN /을 포함하는 복합 전이 층이 많이있다. Mo, TaN-Mo 및 9x (TaN / ZrN) / TaN / Mo 등은 대부분 PVD 또는 CVD 방법이다. 이러한 전이 층은 일반적으로 Co 확산 장벽 층 및 다이아몬드 형 핵 형성 촉진 층을 포함하는데, 즉 전이 층의 기능 요구 사항은 합리적인 다층 재료를 사용함으로써 완전히 만족된다. 단일 금속 전이 층 및 탄소 / 질화물 전이 층과 비교할 때, 복합 전이 층은 다이아몬드 코팅과 초경 합금 기판 사이의 결합 강도를 개선 시키는데보다 도움이된다. 그러나 우수한 성능을 갖는 합성 전이 층을 얻기 위해서는 일반적으로 합리적인 재료 선택 및 설계가 필요합니다. 그렇지 않으면 물질의 물리적 특성이나 인터페이스 수가 증가하여 예상되는 효과가 달성되지 않을 수 있습니다. 전이 층의 준비 방법의 관점에서 현재 연구자는 주로 물리 기상 증착 (PVD)을 사용합니다. 전기 도금, 무전 해 도금 및 CVD를 사용하여 전이 층을 제조한다. 획득 된 트랜지션 레이어와 매트릭스는 일반적으로 물리적으로 바인딩되거나 존재합니다. 다이아몬드 코팅 / 시멘트 기판 사이에 하나 이상의 새로운 인터페이스를 추가하는 나노 미터 두께의 확산층. CTE 및 경도 층 물질과 WC-Co 사이의 경도와 같은 물리적 특성의 갑작스러운 변화는 또한 계면 응력 문제를 야기 할 것이며,이 계면 응력은 전이 층의 두께 및 전이 층의 수의 증가에 따라 증가 할 것이며, 어느 정도 영향을 미친다. 결합 강도 증가. 또한, SiC와는 달리, CTE 및 다른 전이 층 재료와 다이아몬드 사이의 경도와 같은 특성의 여전히 큰 차이가 있으며, 이는 결합 강도의 향상에 도움이되지 않는다. 따라서, 전이 층의 새로운 제조 방법을 탐구하고, 조성 및 조성의 기울기를 갖는 전이 층을 얻고, 새로운 계면에 의해 야기되는 계면 응력을 피하기 위해, 다이아몬드의 결합 강도를 향상시키는 것이 특히 중요하다 코팅.
출처 : Meeyou Carbide