Qu'est-ce que le carbure revêtu de diamant?

Le diamant de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) fait référence à l'utilisation de la méthode CVD, dans des conditions de basse pression, avec des gaz contenant du carbone tels que H2 et CH4 comme gaz de réaction, des réactions chimiques dans des conditions assistées par plasma et certaines températures, résultant en des particules solides dépôt Diamant obtenu sur la surface chauffée du substrat. Semblable au diamant naturel, le diamant CVD est un cristal d'un seul atome de carbone et appartient à un système cubique. Chaque atome C dans le cristal forme une liaison covalente avec l'orbitale hybride sp 4 et 4 autres atomes C, et possède une force de liaison et une stabilité fortes. Nature et directionnalité; la longueur et l'angle de liaison entre les atomes de carbone et les atomes de carbone sont égaux, et ils sont disposés dans une structure de réseau spatial idéal, ce qui fait que les diamants CVD présentent des propriétés mécaniques, thermiques, optiques et électriques comparables aux diamants naturels. Performances complètes

Comme nous le savons tous, les réserves naturelles de diamants dans le monde naturel, les coûts d'extraction sont élevés, le prix est cher, il est difficile de promouvoir largement l'application dans le domaine industriel. Par conséquent, la synthèse du diamant par des méthodes artificielles telles que la haute température et la haute pression (HTHP) et le CVD est progressivement devenue le principal moyen pour les gens d'obtenir de tels excellents matériaux avec d'excellentes propriétés. Les produits diamantés synthétisés par la méthode HTHP sont généralement à l'état de particules monocristallines discrètes. Bien que la méthode HTHP ait été capable de synthétiser de gros monocristaux avec des diamètres supérieurs à 10 mm avec le développement de la science et de la technologie, les produits actuels sont encore principalement des monocristaux d'un diamètre de 5 mm ou moins. Et principalement de la poudre de diamant. En revanche, la taille du monocristal de diamant synthétisé par la méthode CVD est déterminée par la taille du cristal germe, et un monocristal de diamant de plus grande taille peut également être obtenu en utilisant des méthodes de croissance multiple et de croissance en «mosaïque». En outre, la méthode CVD peut également être utilisée pour préparer des films autoportants de diamant de grande surface par dépôt hétéroépitaxial ou pour recouvrir des diamants sur la surface de diverses formes complexes pour former un revêtement résistant à l'usure ou protecteur, ce qui élargit considérablement l'application de diamant. On peut voir que le diamant CVD a un très large éventail de perspectives d'application dans de nombreux domaines tels que l'usinage, la défense et l'industrie nucléaire. Parmi eux, l'application dans l'industrie de l'usinage comprend principalement les dresseurs de meules, les stylos de coupe, divers outils de coupe, etc. Lorsqu'ils sont utilisés dans ces aspects, seules la dureté, la résistance à l'usure et la stabilité chimique du diamant sont impliquées, et la transparence n'est pas obligatoire. Les propriétés telles que la perte diélectrique et la préparation du produit sont relativement faciles, donc l'application sur l'outil est le principal domaine d'application industrielle à grande échelle du diamant CVD.

Les fraises diamantées actuellement sur le marché comprennent principalement des outils diamantés monocristallins, des outils diamantés polycristallins (PCD), des outils de soudage à couche épaisse diamantés et des outils revêtus de diamant. Les deux derniers sont des applications du diamant CVD comme outil. Parmi eux, l'outil de soudage de film épais de diamant est généralement préparé en coupant un film épais de diamant autoportant CVD d'une épaisseur de 0,3 mm ou plus, puis en le soudant sur un substrat. Parce que les films épais en diamant peuvent être coupés en n'importe quelle forme bidimensionnelle, ils sont moins chers et plus flexibles que les outils monocristallins. De plus, les co-liaisons ne sont pas incluses dans les films épais de diamant par rapport aux outils PCD. Précision d'usinage élevée et taux d'usure élevé.

Pour les outils diamantés, la méthode CVD est utilisée pour appliquer un revêtement diamant de moins de 30 μm d'épaisseur sur la surface du corps de l'outil. Comparée aux trois autres outils, la méthode CVD peut appliquer du diamant à des outils de formes complexes, notamment divers forets, fraises, etc.; et puisque le revêtement en diamant est mince et que le temps de dépôt est court, l'outil revêtu n'a pas besoin d'être suivi. Traitement, donc le coût est faible.

Par conséquent, l'analyse actuelle du marché des outils estime généralement que les outils revêtus de diamant CVD seront l'une des directions de développement les plus importantes de l'industrie de l'outillage. Parmi les nombreux matériaux d'outils, le carbure cémenté WC-Co est le plus largement utilisé. Il a non seulement une dureté élevée, une excellente stabilité thermique, mais également une résistance élevée et une bonne ténacité. C'est le revêtement diamant idéal. Matériau de base de l'outil de calque. Les outils de coupe en carbure revêtu de diamant CVD préparés à partir de diamant CVD sur la surface du carbure cémenté WC-Co peuvent parfaitement combiner l'excellente résistance à l'usure du diamant, la dissipation thermique et la bonne ténacité du carbure cémenté. Résolvez efficacement la contradiction entre la dureté et la ténacité des matériaux d'outils existants et améliorez considérablement les performances de coupe et la durée de vie des outils en carbure. Dans le métal non ferreux et ses alliages, diverses particules ou matériaux composites renforcés de fibres, céramiques hautes performances et autres matériaux de traitement Le domaine a de larges perspectives d'application.

Fig.1 Tranchants de (a) l'outil non revêtu et (b) de l'outil revêtu de diamant après les tests de coupe

Fig.2 Canaux représentatifs fraisés en alliage d'aluminium après avoir été coupés par (a) un outil non revêtu et (b) un outil revêtu de diamant

En résumé, les outils en carbure revêtus de diamant présentent d'excellentes performances en termes de tournage, fraisage et perçage. Par exemple, l'usure de l'arête de coupe est faible, la durée de vie est longue et l'usinage n'est pas «collant» et une grande précision de traitement. Par conséquent, par rapport à d'autres outils, les outils en carbure diamanté peuvent mieux répondre aux exigences de traitement des nouveaux matériaux actuels et de la coupe ultra-précise.

Bien qu'un grand nombre de résultats de recherche aient montré que les outils en carbure revêtu de diamant CVD ont d'excellentes performances et une longue durée de vie, il existe également des rapports d'essais de production réussis par certains fabricants au pays et à l'étranger. Mais jusqu'à présent, cet outil n'a pas été appliqué dans la production industrielle à grande échelle. La raison principale est que les outils revêtus de diamant actuellement produits ont toujours des problèmes tels qu'une faible force de liaison entre le revêtement et le substrat, une grande rugosité de surface du revêtement en diamant et une stabilité de mauvaise qualité. Parmi eux, la faible adhérence du revêtement est un obstacle technique majeur qui limite l'application à grande échelle de cet outil.

La principale raison de la faible force de liaison des revêtements diamantés est la présence de phases co-liées dans des substrats en carbure cémenté. Aux températures de dépôt de diamant CVD (600 ~ 1200 ° C), Co a une pression de vapeur de saturation élevée, diffusera rapidement à la surface du substrat, inhibera la nucléation et la croissance du diamant, et catalysera la formation de graphite et de carbone amorphe, conduisant à un revêtement de diamant et La force de liaison entre les substrats en carbure cémenté est réduite. De plus, la différence de propriétés physiques telles que la constante de réseau, la dureté et le coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le diamant et les matériaux en carbure cémenté est également une cause majeure de la faible force de liaison du revêtement.

Le diamant est un cristal cubique à face centrée avec une constante de réseau a0 = 0,35667 nm, une dureté de 60 à 100 GPa et un CTE de 0,8 à 4,5 × 10-6 / ° C. Le carbure cémenté est principalement constitué de particules de WC et d'un liant Co. WC Pour la structure cristalline hexagonale compacte, la constante de réseau a = 0,30008 nm, c = 0,47357 nm, la dureté du carbure cémenté est d'environ 17 GPa et le CTE est d'environ 4,6 × 10-6 / ° C. Ces différences entraîneront un revêtement en diamant et la contrainte thermique à l'interface du substrat en carbure cémenté n'est pas propice à l'adhésion du revêtement en diamant sur le substrat en carbure cémenté.

Un grand nombre d'études ont montré que le prétraitement de la surface du substrat en carbure cémenté pour réduire l'effet néfaste du liant Co sur le dépôt du revêtement en diamant est la méthode la plus efficace pour améliorer la force de liaison du revêtement en diamant / carbure cémenté substrat. Les principales méthodes de prétraitement actuelles comprennent:

Cette méthode adopte généralement des moyens physiques ou chimiques pour éliminer le Co de la couche superficielle de WC-Co afin de supprimer ou d'éliminer son influence négative et d'améliorer la force de liaison entre le revêtement de diamant et le substrat. Parmi elles, la plus utilisée dans l'industrie est la « méthode acide-base en deux étapes », qui utilise la solution de Murakami (1:1:10 KOH+K3[Fe(CN)6]+H2O) pour corroder le WC particules et rendre rugueux l'alliage dur. La surface a ensuite été gravée à l'aide d'une solution d'acide Caro (H2SO4 + H2O2) pour éliminer la surface Co. Cette méthode peut inhiber l'effet catalytique négatif de Co dans une certaine mesure et améliorer la force de liaison du revêtement de diamant. Cependant, après le traitement, il formera une zone lâche près du substrat près de la couche de surface, réduira la résistance à la rupture de l'outil revêtu et le Co. Plus la teneur en liant est élevée, plus l'impact sur les performances de l'outil est important.

Le procédé consiste à préparer une ou plusieurs couches de couches de transition entre le revêtement de diamant et le substrat de carbure cémenté pour bloquer la diffusion de Co et supprimer son effet catalytique négatif sur le dépôt de diamant. Grâce à une sélection et une conception raisonnables des matériaux, la couche de transition préparée peut également réduire le changement brusque des propriétés physiques de l'interface et réduire la contrainte thermique causée par les différences de propriétés physiques telles que le CTE entre le revêtement et le substrat. L'application de la méthode de la couche de transition n'endommage généralement pas la couche de surface du substrat, ni n'affecte les propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture de l'outil de revêtement, et elle peut préparer des revêtements diamantés CVD sur des carbures cémentés à haute teneur en Co , et par conséquent, recherche et améliore actuellement WC- La méthode préférée de collage du revêtement de diamant sur la surface du substrat Co.

Selon l'analyse précédente, l'application de la méthode de la couche de transition peut supprimer efficacement l'effet catalytique négatif du Co et n'endommagera pas la matrice. Cependant, pour atteindre efficacement la fonction d'augmentation de la force de liaison du revêtement en diamant, la méthode de sélection et de préparation des matériaux de la couche de transition est très importante. La sélection de matériaux de couche de transition nécessite généralement de suivre plusieurs principes:

La température de dépôt du revêtement de diamant est généralement de 600 à 1200 ° C, le matériau de la couche de transition peut résister à des températures plus élevées, ne se produit pas de ramollissement et de fusion;

(2) La dureté et les propriétés CTE sont mieux placées entre le diamant et le carbure cémenté pour réduire la contrainte thermique causée par les performances de désadaptation;

(3) Empêche le Co de migrer à la surface pendant le dépôt de diamant ou réagit avec le Co pour former des composés stables;

(4) Il a une bonne compatibilité avec les matériaux diamantés. Le diamant peut nucléer et croître à la surface de la couche de transition. Au stade de la nucléation, le diamant peut rapidement nucléer et avoir un taux de nucléation élevé.

(5) Les propriétés chimiques sont stables et ont une certaine résistance mécanique, de manière à éviter la formation d'une couche intermédiaire molle et à nuire aux performances du système de revêtement.

À l'heure actuelle, les gens étudient et utilisent davantage de couches de transition, principalement des métaux, du carbone métallique / nitrures et des couches de transition composites qui en sont composées. Parmi eux, Cr, Nb, Ta, Ti, Al et Cu sont généralement utilisés comme matériaux de couche de transition pour la couche de transition métallique, et le PVD, la galvanoplastie et le placage autocatalytique sont couramment utilisés comme méthodes de préparation, et la méthode PVD est le plus largement utilisé. Les résultats montrent que la couche de transition formée par le métal carbone-philique est plus efficace pour améliorer la force de liaison du revêtement de diamant que le métal carbone faible. Au stade initial du dépôt de diamant, une couche de carbure est d'abord formée à la surface de la couche métallique, et cette couche de carbure facilite la nucléation et la croissance du diamant. Cependant, la couche de transition métallique a un grand CTE et une exigence élevée pour l'épaisseur. Si elle est trop épaisse, elle entraînera une augmentation de la contrainte thermique, diminuera la force de liaison et sera trop mince pour bloquer complètement la diffusion vers l'extérieur de Co. En outre, la couche de transition métallique est relativement molle, ce qui équivaut à ajouter une couche souple au milieu de la phase dure, ce qui n'est pas propice au degré d'adaptation des performances du système de revêtement.

La dureté de la couche de transition carbone / nitrure est supérieure à celle du métal pur, et il n'y a aucun problème à réduire les performances d'utilisation de l'outil revêtu. WC, TiC, TaC, TaN, CrN, TiN et SiC sont actuellement les composés de couche de transition les plus étudiés et utilisés. Ces couches de transition sont généralement préparées par pulvérisation magnétron réactive et d'autres méthodes. Des études ont montré que la couche de transition carbone / nitrure peut bloquer efficacement la diffusion externe de Co et peut ainsi améliorer la résistance de liaison du revêtement en diamant dans une certaine mesure. Le degré d'amélioration de la force de liaison de ces couches de transition dépend généralement de l'adéquation du CTE de la couche de transition avec la matrice et le diamant, la structure de la couche de transition et la mouillabilité du matériau de la couche de transition et du diamant.

Les carbures métalliques courants ont un CTE inférieur à celui des nitrures métalliques, et lorsque des couches de transition carbure sont utilisées, les diamants peuvent être nucléés directement sur la couche de transition, ce qui raccourcit le temps de nucléation par rapport aux couches de transition métallique et aux couches de transition nitrure. De cela, nous pouvons voir que les carbures sont l'un des matériaux de couche de transition les plus idéaux. Parmi ces matériaux de carbure métallique, HfC, NbC, Ta C et similaires ont un CTE relativement faible. De plus, le carbure non métallique SiC a le CTE le plus bas de tous les carbures (β-SiCCTE = 3,8 × 10-6 / ° C), qui se situe entre le carbure cémenté et le diamant. Par conséquent, il existe de nombreuses études sur la couche de transition SiC. Par exemple, Cabral G et Hei Hongjun ont utilisé la méthode CVD pour préparer une couche de transition SiC à la surface du carbure cémenté pour le dépôt du revêtement de diamant. Les résultats montrent que la couche de transition SiC peut améliorer efficacement la liaison entre le revêtement de diamant et le substrat de carbure cémenté.

Intensité, mais la méthode CVD prépare directement un revêtement SiC à la surface du carbure cémenté, la teneur en phase liante Co dans le substrat de carbure cémenté n'est pas facile à être trop élevée (généralement <6%), et la température de dépôt doit être contrôlée dans une plage basse (généralement 800 ° C environ). Cela est principalement dû au fait que l'action catalytique de la phase de co-liant est importante à des températures élevées, entraînant la formation de moustaches en SiC, et qu'il y a une grande quantité de vides entre les moustaches et ne peut pas être utilisée comme couche de transition . Cependant, à basses températures de dépôt, des revêtements de SiC amorphes lâches sont susceptibles de se produire. Par conséquent, une plage de températures de dépôt qui est dense, continue et satisfait l'utilisation en tant que couche tampon de la couche de revêtement SiC est rendue plus petite. Par conséquent, lorsque certains chercheurs utilisent du SiC comme couche de transition, afin d'obtenir une force de liaison élevée, il est nécessaire d'utiliser d'abord une gravure pour éliminer le Co dans la couche d'alliage dur. Par conséquent, l'action catalytique du Co est devenue l'un des facteurs clés limitant l'utilisation du SiC comme couche de transition.

La couche de transition composite est généralement un revêtement multicouche composé d'une combinaison de deux types de matériaux métalliques ou de carbone / nitrure métallique ou plus. À l'heure actuelle, il existe de nombreuses couches de transition composites, notamment W / Al, W / WC, CrN / Cr et ZrN /. Mo, TaN-Mo et 9x (TaN / ZrN) / TaN / Mo, etc., sont également principalement des méthodes PVD ou CVD. Ces couches de transition comprennent généralement une couche barrière à la diffusion de Co et une couche favorisant la nucléation de type diamant, c'est-à-dire que les exigences fonctionnelles de la couche de transition sont pleinement satisfaites en utilisant un matériau multicouche raisonnable. Comparée à la couche de transition métallique unique et à la couche de transition carbone / nitrure, la couche de transition composite est plus propice à l'amélioration de la force de liaison entre le revêtement de diamant et le substrat de carbure cémenté. Cependant, afin d'obtenir une couche de transition composite avec d'excellentes performances, il est généralement nécessaire d'effectuer une sélection et une conception raisonnables des matériaux. Sinon, l'effet attendu peut ne pas être obtenu en raison de grandes différences dans les propriétés physiques des matériaux ou du nombre accru d'interfaces.

Du point de vue de la méthode de préparation de la couche de transition, actuellement, les chercheurs utilisent principalement le dépôt physique en phase vapeur (PVD), la galvanoplastie, le placage autocatalytique et la CVD pour préparer la couche de transition. La couche de transition obtenue et la matrice sont généralement liées physiquement ou n'existaient que. Une couche de diffusion de l'ordre du nanomètre, qui ajoute une ou plusieurs nouvelles interfaces entre le revêtement diamant / substrat de ciment. Un changement soudain des propriétés physiques telles que le CTE et la dureté entre le matériau de la couche de transition et le WC-Co entraînera également des problèmes de contrainte interfaciale, et cette contrainte interfaciale augmentera avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche de transition et du nombre de couches de transition, affectant dans une certaine mesure. Force de liaison accrue. En outre, en dehors du SiC, il existe encore de grandes différences de propriétés telles que le CTE et la dureté entre les autres matériaux de couche de transition et les diamants, ce qui n'est pas propice à l'amélioration de la force de liaison. Par conséquent, pour explorer une nouvelle méthode de préparation de la couche de transition, pour obtenir une couche de transition avec un gradient de composition et de composition, et pour éviter la contrainte d'interface causée par la nouvelle interface, il est particulièrement important d'améliorer la force de liaison du diamant enrobage.