O que é carboneto revestido de diamante?

1. Diamante CVD Introdução Diamond Deposition de Vapor Químico (CVD) refere-se ao uso do método CVD, sob condições de baixa pressão, com gases contendo carbono como H2 e CH4 como gás de reação, reações químicas sob condições de temperatura assistida por plasma e certas , resultando na deposi�o de part�ulas s�idas Diamante obtido na superf�ie do substrato aquecida. Semelhante ao diamante natural, o diamante CVD é um cristal de um único átomo de carbono e pertence a um sistema cúbico. Cada átomo de C no cristal forma uma ligação covalente com o orbital híbrido sp4 e outros 4 átomos de carbono, e tem forte força de ligação e estabilidade. Natureza e direcionalidade; o comprimento de ligação e o ângulo de ligação entre os átomos de C e os átomos de C são iguais e estão dispostos em uma estrutura de rede espacial ideal, fazendo com que os diamantes CVD exibam propriedades mecânicas, térmicas, ópticas e elétricas comparáveis dos diamantes naturais. Desempenho abrangente Como todos sabemos, as reservas de diamantes naturais no mundo natural, os custos de mineração são altos, o preço é caro, é difícil promover amplamente a aplicação no campo industrial. Portanto, a síntese de diamante por métodos artificiais como alta temperatura e alta pressão (HTHP) e CVD tem se tornado gradualmente o principal meio para as pessoas obterem excelentes materiais com excelentes propriedades. Os produtos de diamante sintetizados pelo método HTHP estão geralmente no estado de partículas discretas de cristal único. Embora o método HTHP tenha sido capaz de sintetizar cristais individuais grandes com diâmetros maiores que 10 mm com o desenvolvimento da ciência e tecnologia, os produtos atuais ainda são em sua maioria cristais simples com diâmetro de 5 mm ou menos. E principalmente pó de diamante. Em contraste, o tamanho do cristal de diamante único sintetizado pelo método de CVD é determinado pelo tamanho do cristal de sementeira, e um cristal de diamante de tamanho maior também pode ser obtido usando múltiplos métodos de crescimento e crescimento em “mosaico”. Além disso, o método CVD também pode ser usado para preparar películas autossustentáveis de diamante de grande área por deposição heteroepitaxial ou para revestir diamantes na superfície de várias formas complexas para formar um revestimento resistente ao desgaste ou protetor, o que expande bastante a aplicação de diamante. Pode ser visto que o diamante CVD tem uma ampla gama de perspectivas de aplicação em muitos campos, como usinagem, defesa e indústria nuclear. Entre eles, a aplicação na indústria de usinagem inclui principalmente dressadores de rebolos, canetas de aparar, várias ferramentas de corte, etc. Quando usados nesses aspectos, apenas a dureza, resistência ao desgaste e estabilidade química do diamante estão envolvidos, e a transparência não é requeridos. As propriedades como a perda dielétrica e a preparação do produto são relativamente fáceis, portanto a aplicação na ferramenta é o principal campo da aplicação industrial em grande escala do diamante CVD.2. Ferramentas de carboneto de diamante revestido CVD Os cortadores de diamante atualmente no mercado incluem principalmente ferramentas de diamante monocristalino, ferramentas de diamante policristalino (PCD), ferramentas de soldagem de filme espesso de diamante e ferramentas revestidas com diamante. Os dois últimos são aplicações do diamante CVD como uma ferramenta. Entre eles, a ferramenta de soldagem de filme espesso de diamante é geralmente preparada cortando um filme espesso de diamante autoportante CVD com uma espessura de 0,3 mm ou mais e depois soldando-o em um substrato. Como as películas grossas de diamante podem ser cortadas em qualquer formato bidimensional, elas são menos caras e mais flexíveis do que as ferramentas de cristal único. Além disso, os Co-bonds não são incluídos nos filmes grossos de diamantes em comparação com as ferramentas de PCD. Alta precisão de usinagem e alta taxa de desgaste. Para ferramentas revestidas de diamante, o método CVD é usado para aplicar uma camada de diamante com menos de 30 μm de espessura na superfície do corpo da ferramenta. Em comparação com as outras três ferramentas, o método CVD pode aplicar diamante a ferramentas com formas complexas, incluindo várias brocas, fresas, etc .; e como o revestimento de diamante é fino e o tempo de deposição é curto, a ferramenta revestida não precisa de acompanhamento. Processamento, portanto, o custo é baixo. Portanto, a análise atual do mercado de ferramentas geralmente acredita que as ferramentas revestidas com diamante CVD serão uma das mais importantes diretrizes de desenvolvimento da indústria de ferramentas. Dos muitos materiais de ferramentas, o metal duro WC-Co é o mais utilizado. Não só tem alta dureza, excelente estabilidade térmica, mas também tem alta resistência e boa tenacidade. É o revestimento de diamante ideal. Material base da ferramenta de camada. As ferramentas de corte de metal duro com cobertura diamantada CVD revestidas com diamante preparadas a partir de diamante CVD na superfície do metal duro WC-Co podem combinar perfeitamente a excelente resistência ao desgaste, dissipação de calor e boa tenacidade do metal duro. Solucione efetivamente a contradição entre a dureza e a tenacidade dos materiais de ferramentas existentes e melhore consideravelmente o desempenho de corte e a vida útil das ferramentas de metal duro. No metal não-ferroso e suas ligas, várias partículas ou materiais compósitos reforçados com fibra, cerâmicas de alto desempenho e processamento de outros materiais O campo tem uma ampla perspectiva de aplicação. 1 Bordas cortantes de (a) a ferramenta não revestida e (b) ferramenta revestida de diamante após o corte de testesFig. 2 Canais moídos de extremidade representativos na liga Al depois de serem cortados por (a) ferramenta não revestida e (b) ferramenta revestida com diamante Em resumo, as ferramentas de metal duro com cobertura de diamante exibem excelente desempenho em termos de torneamento, fresamento e perfuração. Por exemplo, o desgaste da aresta de corte é pequeno, a vida útil é longa e a usinagem não é “aderente” e alta precisão de processamento. Portanto, em comparação com outras ferramentas, as ferramentas de metal duro com cobertura de diamante podem atender melhor aos requisitos de processamento de materiais novos e de corte de precisão. 3. Problemas e Soluções das Ferramentas de Metal Duro CVD Revestidas com Diamante Embora um grande número de resultados de pesquisa tenha mostrado que as ferramentas de metal duro com diamante CVD têm excelente desempenho e longa vida útil, existem também relatos de testes de produção bem sucedidos por alguns fabricantes nacionais e estrangeiros. Mas até agora, esta ferramenta não foi aplicada na produção industrial em larga escala. A principal razão é que as ferramentas revestidas com diamante produzidas atualmente ainda apresentam problemas, como baixa resistência de união entre o revestimento e o substrato, grande rugosidade da superfície do revestimento de diamante e baixa estabilidade de qualidade. Entre eles, a baixa resistência de união do revestimento é um obstáculo técnico fundamental que limita a aplicação em grande escala desta ferramenta. A principal razão para a baixa força de adesão dos revestimentos diamantados é a presença de fases Co-bonded em substratos de metal duro. Nas temperaturas de deposição de diamante CVD (600 ~ 1200 ° C), o Co possui alta pressão de vapor saturada, difunde-se rapidamente à superfície do substrato, inibe a nucleação e o crescimento do diamante e catalisa a formação de grafite e carbono amorfo, levando ao revestimento diamantado e A força de adesão entre os substratos de metal duro é reduzida. Além disso, a diferença nas propriedades físicas, tais como constante de treliça, dureza e coeficiente de expansão térmica (CTE) entre materiais diamantados e de metal duro também é uma das principais causas da baixa força de adesão do revestimento. Diamond é um cúbico de face centrada. cristal com uma constante de rede a0 = 0,35667 nm, uma dureza de 60 ~ 100 GPa, e um CET de 0,8 ~ 4,5 × 10-6 / ° C. O metal duro é composto principalmente por partículas de WC e um ligante de Co. WC Para a estrutura cristalina hexagonal compacta, a constante da malha a = 0,30008 nm, c = 0,47357 nm, a dureza do carboneto cementado é de aproximadamente 17 GPa e o CTE é aproximadamente 4,6 × 10-6 / ° C. Essas diferenças resultarão em revestimento de diamante e a tensão térmica na interface do substrato de metal duro não é propícia para a adesão do revestimento de diamante no substrato de metal duro. Um grande número de estudos mostrou que o pré-tratamento da superfície do substrato cimentado. O substrato de carboneto para reduzir o efeito adverso do ligante de Co na deposição do revestimento de diamante é o método mais eficaz para melhorar a força de ligação do substrato de revestimento de diamante / carboneto cimentado. Os principais métodos atuais de pré-tratamento incluem: (1) Remoção de Superfícies Co TratamentoEste método geralmente adota meios físicos ou químicos para remover o Co da camada superficial de WC-Co, de modo a suprimir ou eliminar sua influência negativa e melhorar a força de ligação entre o diamante revestimento e o substrato. Entre eles, o mais amplamente utilizado na indústria é o “método ácido-base de dois passos”, que usa a solução de Murakami (1: 1: 10 KOH + K3 [Fe (CN) 6] + H2O) para corroer o WC. partículas e áspera a liga dura. A superfície foi então condicionada usando solução de ácido Caro (H2SO4 + H2O2) para remover a superfície Co. Este método pode inibir o efeito catalítico negativo de Co até certo ponto e melhorar a força de ligação do revestimento de diamante. No entanto, após o processamento, formará uma zona solta perto do substrato próximo à camada superficial, reduzirá a resistência à fratura da ferramenta revestida e o Co. Quanto maior o conteúdo do aglutinante, mais severo será o impacto no desempenho da ferramenta. 2) Aplicar um método de camada de transiçãoO método é preparar uma ou mais camadas de camadas de transição entre o revestimento de diamante e o substrato de metal duro para bloquear a difusão de Co e suprimir o seu efeito catalítico negativo na deposição de diamante. Através de seleção de material razoável e design, a camada de transição preparada também pode reduzir a mudança abrupta das propriedades físicas da interface e reduzir o estresse térmico causado pelas diferenças nas propriedades físicas, como CTE entre o revestimento e o substrato. A aplicação do método da camada de transição geralmente não causa danos à camada superficial do substrato, nem afeta as propriedades mecânicas, como a resistência à fratura da ferramenta de revestimento, e pode preparar revestimentos de diamante CVD em carbonetos cementados de alto teor de Co. e, portanto, está atualmente pesquisando e melhorando WC- O método preferido de ligação do revestimento de diamante na superfície Co substrato. Selecção de camadas de transição e métodos de preparação De acordo com a análise anterior, a aplicação do método da camada de transição pode suprimir eficazmente o efeito catalítico negativo de Co e não danificará a matriz. No entanto, para efetivamente alcançar a função de aumentar a força de ligação do revestimento de diamante, o método de seleção e preparação do material da camada de transição é muito importante. A seleção de materiais de camada de transição geralmente requer seguir vários princípios: (1) Tem boa estabilidade térmica. A temperatura de deposição do revestimento de diamante é geralmente 600 ~ 1200 ° C, o material da camada de transição pode resistir a temperaturas mais altas, não ocorre amolecimento e (2) As propriedades de dureza e CTE são melhor posicionadas entre carboneto cementado e diamante para reduzir o estresse térmico causado pelo desempenho de incompatibilidade; (3) impede a migração de Co para a superfície durante a deposição de diamante ou reage com Co para formar compostos estáveis; 4) Tem boa compatibilidade com materiais de diamante. O diamante pode nuclear e crescer na superfície da camada de transição. Na fase de nucleação, o diamante pode rapidamente nuclear e ter uma alta taxa de nucleação. (5) As propriedades químicas são estáveis e têm uma certa resistência mecânica, de modo a evitar a formação de uma camada intermediária macia e afetar adversamente o desempenho do revestimento. No presente, as pessoas estudam e usam mais camadas de transição, principalmente metais, metal carbono / nitretos e camadas de transição composta composta por eles. Entre eles, Cr, Nb, Ta, Ti, Al e Cu são geralmente usados como materiais de camada de transição para a camada de transição de metal, e o PVD, galvanoplastia e revestimento eletrolítico são comumente usados como métodos de preparação, e o método PVD é mais amplamente utilizados. Os resultados mostram que a camada de transição formada pelo metal carbono-phílico é mais eficaz em melhorar a força de união do revestimento de diamante do que o metal de carbono fraco. No estágio inicial de deposição de diamante, uma camada de carboneto é formada primeiramente na superfície da camada de metal, e essa camada de carboneto facilita a nucleação e o crescimento do diamante. No entanto, a camada de transição de metal tem um grande CTE e uma alta exigência para a espessura. Se for muito espessa, levará a um aumento da tensão térmica, diminuirá a força de adesão e será muito fina para bloquear completamente a difusão externa de Co. Além disso, a camada de transição de metal é relativamente macia, o que equivale a adicionar uma camada macia no meio da fase dura, o que não é propício para o grau de correspondência do desempenho do sistema de revestimento. A dureza da camada de transição de carbono / nitreto é maior do que a do metal puro, e não há problema em reduzir o desempenho de uso da ferramenta revestida. WC, TiC, TaC, TaN, CrN, TiN e SiC são atualmente os compostos de camada de transição mais estudados e utilizados. Tais camadas de transição são geralmente preparadas por pulverização catódica por magnetron e outros métodos. Estudos têm mostrado que a camada de transição de carbono / nitreto pode efetivamente bloquear a difusão de Co, e assim, pode melhorar a força de ligação do revestimento de diamante, em certa medida. O grau de melhoria da resistência de ligação de tais camadas de transição geralmente depende da combinação do CTE da camada de transição com a matriz e o diamante, a estrutura da camada de transição e a molhabilidade do material da camada de transição e do diamante. carbonetos metálicos têm um CTE menor do que nitretos metálicos, e quando são usadas camadas de transição de carboneto, os diamantes podem ser nucleados diretamente na camada de transição, o que reduz o tempo de nucleação comparado às camadas de transição de metal e transição de nitreto. A partir disso, podemos ver que os carbonetos são um dos materiais de camada de transição mais ideais. Entre estes materiais de metal duro, HfC, NbC, Ta C e semelhantes têm um CTE relativamente baixo. Além disso, o carboneto não-metálico SiC tem o menor CTE em todos os carbonetos (β-SiCCTE = 3,8 × 10-6 / ° C), que está entre o carboneto cimentado e o diamante. Portanto, existem muitos estudos sobre a camada de transição SiC. Por exemplo, Cabral G e Hei Hongjun usaram o método CVD para preparar a camada de transição de SiC na superfície do metal duro para deposição de revestimento de diamante. Os resultados mostram que a camada de transição SiC pode efetivamente melhorar a ligação entre revestimento de diamante e substrato de metal duro.Intensidade, mas o método CVD preparou diretamente o revestimento de SiC na superfície do metal duro, o teor de fase de ligante Co no substrato de metal duro é não é fácil ser muito alto (geralmente <6%), e a temperatura de deposição precisa ser controlada em uma faixa baixa (geralmente 800 ° C ou mais). Isto é principalmente devido ao fato de que a ação catalítica da fase de Co-aglutinante é significativa em altas temperaturas, resultando na formação de bigodes de SiC, e há uma grande quantidade de vazios entre os bigodes e não pode ser usada como uma camada de transição . No entanto, a baixas temperaturas de deposição, é provável que ocorram revestimentos de SiC amorfos soltos. Portanto, uma faixa de temperatura de deposição que é densa, contínua e satisfaz o uso como camada amortecedora da camada de revestimento de SiC é menor. Portanto, quando alguns pesquisadores usam o SiC como uma camada de transição, a fim de obter alta resistência de união, é necessário primeiro usar o condicionamento para remover o Co na camada de liga dura. Portanto, a ação catalítica do Co tornou-se um dos principais fatores que limitam o uso do SiC como uma camada de transição. A camada de transição composta é geralmente um revestimento multicamadas composto de uma combinação de dois ou mais tipos de metal ou carbono metálico. materiais de nitreto. Atualmente, existem muitas camadas de transição compostas incluindo W / Al, W / WC, CrN / Cr e ZrN /. Mo, TaN-Mo e 9x (TaN / ZrN) / TaN / Mo, etc., também são principalmente métodos PVD ou CVD. Tais camadas de transição incluem geralmente uma camada de barreira de difusão Co e uma camada de promoção de nucleação tipo diamante, isto é, os requisitos funcionais da camada de transição são totalmente satisfeitos utilizando um material multicamada razoável. Em comparação com a camada de transição de metal único e a camada de transição de carbono / nitreto, a camada de transição de compósito é mais propícia para melhorar a força de ligação entre o revestimento de diamante e o substrato de metal duro. No entanto, para obter uma camada de transição composta com excelente desempenho, geralmente é necessário realizar uma seleção e um design de material razoáveis. Caso contrário, o efeito esperado pode não ser alcançado devido a grandes diferenças nas propriedades físicas dos materiais ou ao aumento do número de interfaces. Da perspectiva do método de preparação da camada de transição, atualmente os pesquisadores usam principalmente deposição de vapor físico (PVD), Galvanoplastia, revestimento eletrolítico e CVD para preparar a camada de transição. A camada de transição obtida e a matriz são geralmente fisicamente ligadas ou apenas existiam. Uma camada de difusão de nanômetros de espessura, que adiciona uma ou mais novas interfaces entre o substrato de revestimento de diamante / cimento. Uma mudança súbita nas propriedades físicas, como CTE e dureza, entre o material da camada de transição e a WC-Co também causará problemas de tensão interfacial, e essa tensão interfacial aumentará com o aumento da espessura da camada de transição e o número de camadas de transição. afetando em certa medida. Maior força de ligação. Além disso, além do SiC, ainda existem grandes diferenças nas propriedades, tais como o CET e a dureza entre outros materiais da camada de transição e os diamantes, o que não favorece a melhoria da resistência da colagem. Portanto, para explorar um novo método de preparação da camada de transição, para obter uma camada de transição com um gradiente de composição e composição, e para evitar a tensão de interface causada pela nova interface, é particularmente importante melhorar a força de ligação do diamante. Revestimento.
Fonte: Meeyou Carbide