Elmas Kaplamalı Karbür Nedir?

Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) elması, düşük basınç koşullarında, reaksiyon gazı olarak H2 ve CH4 gibi karbon içeren gazlar, plazma destekli ve belirli sıcaklık koşulları altında kimyasal reaksiyonlar ile katı partikül ile sonuçlanan CVD yönteminin kullanılmasını ifade eder. biriktirme Isıtılmış substrat yüzeyinde elde edilen elmas. Doğal elmasa benzer şekilde, CVD elmas tek bir karbon atomunun bir kristalidir ve kübik bir sisteme aittir. Kristaldeki her C atomu sp4 hibrid orbital ve başka bir 4 C atomu ile kovalent bir bağ oluşturur ve güçlü bağlanma kuvveti ve stabilitesine sahiptir. Doğa ve yönlülük; C atomları ve C atomları arasındaki bağ uzunluğu ve bağ açısı eşittir ve ideal bir uzaysal ağ yapısında düzenlenmiştir, bu da CVD elmaslarının doğal elmasların karşılaştırılabilir mekanik, termal, optik ve elektrik özelliklerini sergilemesini sağlar. Kapsamlı performans

Hepimizin bildiği gibi, doğal dünyada doğal elmas rezervleri, madencilik maliyetleri yüksektir, fiyat pahalıdır, endüstriyel alanda uygulamayı yaygın olarak tanıtmak zordur. Bu nedenle, elmasın yüksek sıcaklık ve yüksek basınç (HTHP) ve CVD gibi yapay yöntemlerle sentezi, insanların mükemmel özelliklere sahip bu tür mükemmel malzemeleri elde etmeleri için yavaş yavaş ana yol haline gelmiştir. HTHP yöntemi ile sentezlenen elmas ürünleri genellikle ayrı tek kristal parçacıkları halindedir. HTHP yöntemi, bilim ve teknolojinin geliştirilmesi ile 10 mm'den büyük çaplı büyük tek kristalleri sentezleyebilse de, mevcut ürünler hala çoğunlukla 5 mm veya daha küçük bir çapa sahip tek kristallerdir. Ve esas olarak elmas tozu. Buna karşılık, CVD yöntemi ile sentezlenen elmas tek kristalinin büyüklüğü, tohum kristalinin büyüklüğü ile belirlenir ve daha büyük boyutlu bir elmas tek kristali, çoklu büyüme ve "mozaik" büyüme yöntemleri kullanılarak da elde edilebilir. Ek olarak, CVD yöntemi, heteroepitaksiyal biriktirme ile geniş alanlı elmas kendi kendini destekleyen filmler hazırlamak veya aşınmaya dayanıklı veya koruyucu bir kaplama oluşturmak için çeşitli karmaşık şekillerin yüzeyinde elmasları kaplamak için de kullanılabilir. elmas. CVD elmasın işleme, savunma ve nükleer sanayi gibi birçok alanda çok geniş bir uygulama yelpazesine sahip olduğu görülebilir. Bunlar arasında, işleme endüstrisindeki uygulama esas olarak taşlama diski giydiricileri, düzeltme kalemleri, çeşitli kesme aletleri vb. İçerir. Bu yönlerde kullanıldığında, sadece elmasın sertliği, aşınma direnci ve kimyasal stabilitesi söz konusudur ve şeffaflık söz konusu değildir. gereklidir. Dielektrik kaybı ve ürün hazırlama gibi özellikler nispeten kolaydır, bu nedenle alet üzerindeki uygulama, CVD elmasının büyük ölçekli endüstriyel uygulamasının ana alanıdır.

Şu anda piyasada bulunan elmas kesiciler temel olarak tek kristal elmas aletler, polikristalin elmas (PCD) aletler, elmas kalın film kaynak aletleri ve elmas kaplı aletlerdir. Son ikisi, bir araç olarak CVD elmas uygulamalarıdır. Bunlar arasında, elmas kalın film kaynak aleti genellikle 0.3 mm veya daha fazla kalınlığa sahip bir CVD kendinden destekli elmas kalın film keserek ve daha sonra bir alt tabaka üzerine kaynaklanarak hazırlanır. Elmas kalınlığında filmler herhangi iki boyutlu bir şekle kesilebildiğinden, tek kristalli takımlardan daha ucuz ve daha esnektir. Buna ek olarak, Co-bondlar PCD araçlarına kıyasla elmas kalınlığında filmlere dahil edilmez. Yüksek işleme hassasiyeti ve yüksek aşınma oranı.

Elmas kaplamalı takımlar için, CVD yöntemi takım gövdesinin yüzeyine 30 μm'den daha az bir elmas kaplama uygulamak için kullanılır. Diğer üç aletle karşılaştırıldığında, CVD yöntemi, çeşitli matkaplar, freze bıçakları vb.Gibi karmaşık şekillerdeki aletlere elmas uygulayabilir; ve elmas kaplama ince olduğundan ve biriktirme süresi kısa olduğundan, kaplanmış aletin takip etmesi gerekmez. İşleme, böylece maliyet düşük.

Bu nedenle, mevcut alet piyasası analizi genel olarak CVD elmas kaplı aletlerin alet endüstrisinin en önemli gelişme yönlerinden biri olacağına inanmaktadır. Birçok alet malzemesinden en yaygın olarak kullanılanı WC-Co sinterlenmiş karbürdür. Sadece yüksek sertliğe, mükemmel termal kararlılığa sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda yüksek mukavemet ve iyi tokluğa da sahiptir. İdeal elmas kaplamadır. Katman aracı temel malzemesi. WC-Co sinterlenmiş karbürün yüzeyindeki CVD elmastan hazırlanan CVD elmas kaplı CVD elmas kaplı karbür kesici takımlar, elmasın mükemmel aşınma direncini, ısı dağılımını ve semente karbürün iyi tokluğunu mükemmel bir şekilde bir araya getirebilir. Mevcut takım malzemelerinin sertliği ve tokluğu arasındaki çelişkiyi etkili bir şekilde çözün ve karbür takımların kesme performansını ve hizmet ömrünü büyük ölçüde iyileştirin. Demir dışı metal ve alaşımlarında, çeşitli partiküllerde veya fiber takviyeli kompozit malzemelerde, yüksek performanslı seramiklerde ve diğer malzemelerin işlenmesinde Alanın geniş uygulama beklentileri vardır.

1 Kesme testlerinden sonra (a) kaplanmamış takım ve (b) elmas kaplı takımın kesme kenarları

Şekil 2 (a) kaplanmamış takım ve (b) elmas kaplı takım tarafından kesildikten sonra Al alaşımında temsili uç frezelenmiş kanallar

Özetle, elmas kaplı karbür takımlar tornalama, frezeleme ve delme açısından mükemmel performans gösterir. Örneğin, kesici kenarın aşınması azdır, servis ömrü uzundur ve işleme “yapışmaz” ve Yüksek işleme hassasiyeti değildir. Bu nedenle, diğer araçlarla karşılaştırıldığında, elmas kaplı karbür takımlar mevcut yeni malzemelerin işleme gereksinimlerini ve ultra hassas kesimi daha iyi karşılayabilir.

Çok sayıda araştırma sonucu, CVD elmas kaplı karbür takımların mükemmel performansa ve uzun hizmet ömrüne sahip olduğunu göstermesine rağmen, bazı üreticilerin yurtiçinde ve yurtdışında başarılı üretim denemelerinin raporları da vardır. Ancak şu ana kadar, bu araç büyük ölçekli endüstriyel üretimde uygulanmadı. Bunun ana nedeni, halihazırda üretilen elmas kaplamalı takımların hala kaplama ve substrat arasında düşük yapışma mukavemeti, elmas kaplamanın büyük yüzey pürüzlülüğü ve düşük kalite stabilitesi gibi problemleri olmasıdır. Bunlar arasında, kaplamanın düşük bağlanma mukavemeti, bu aletin büyük ölçekli uygulamasını sınırlayan önemli bir teknik engeldir.

Elmas kaplamaların düşük yapışma mukavemetinin temel nedeni, çimentolu karbür substratlarda Ko-bağlı fazların varlığıdır. CVD elmas biriktirme sıcaklıklarında (600 ~ 1200 ° C), Co yüksek bir doygunluk buhar basıncına sahiptir, substrat yüzeyine hızla yayılır, elmas çekirdeklenmesini ve büyümesini engeller ve grafit ve amorf karbon oluşumunu katalize eder ve elmas kaplamaya yol açar. Semente karbür substratlar arasındaki bağlanma gücü azalır. Ek olarak, elmas sabiti ve çimentolu karbür malzemeler arasındaki kafes sabiti, sertlik ve termal genleşme katsayısı (CTE) gibi fiziksel özelliklerin farkı, kaplamanın düşük yapışma gücünün önemli bir nedenidir.

Elmas, a0 = 0.35667 nm kafes sabiti, 60 ~ 100 GPa sertliği ve 0.8 ~ 4.5 × 10-6 / ° C CTE değerine sahip, yüz merkezli bir kübik kristaldir. Semente karbür esas olarak WC parçacıkları ve bir Co bağlayıcıdan oluşur. WC Yakın paketlenmiş altıgen kristal yapı için, kafes sabiti a = 0.30008 nm, c = 0.47357 nm, semente karbürün sertliği yaklaşık 17 GPa'dır ve CTE yaklaşık 4.6 × 10-6 / ° C'dir. Bu farklılıklar elmas kaplama ile sonuçlanacaktır ve çimentolu karbür substratın arayüzündeki termal stres, elmas kaplamanın çimentolu karbür substrat üzerine yapışmasına elverişli değildir.

Çok sayıda çalışma, Co bağlayıcısının elmas kaplamanın birikmesi üzerindeki olumsuz etkisini azaltmak için çimentolu karbür substrat yüzeyinin ön işleminin, elmas kaplama / çimentolu karbürün yapışma mukavemetini arttırmak için en etkili yöntem olduğunu göstermiştir. alt-tabaka. Mevcut ana ön işlem yöntemleri şunları içerir:

Bu yöntem, negatif etkisini bastırmak veya ortadan kaldırmak ve elmas kaplama ile substrat arasındaki bağlanma gücünü artırmak için WC-Co'nun yüzey tabakasının Co'sunu çıkarmak için genellikle fiziksel veya kimyasal araçlar kullanır. Bunlar arasında endüstride en yaygın olarak kullanılanı, WC'yi aşındırmak için Murakami çözeltisini (1:1:10 KOH+K3[Fe(CN)6]+H2O) kullanan “asit bazlı iki aşamalı yöntem”dir. parçacıklar ve sert alaşımı pürüzlendirir. Yüzey daha sonra Co yüzeyini çıkarmak için Karo asit çözeltisi (H2SO4 + H2O2) kullanılarak dağlanmıştır. Bu yöntem Co'nun negatif katalitik etkisini belirli bir dereceye kadar engelleyebilir ve elmas kaplamanın bağlanma gücünü iyileştirebilir. Bununla birlikte, işlemden sonra, yüzey tabakasının yakınında alt tabakanın yakınında gevşek bir bölge oluşturacak, kaplanmış takımın kırılma mukavemetini ve Co'yu azaltacaktır. Bağlayıcı içeriği ne kadar yüksek olursa, takım performansı üzerindeki etkisi o kadar şiddetli olur.

Yöntem, Co'nun difüzyonunu bloke etmek ve elmas birikimi üzerindeki negatif katalitik etkisini bastırmak için elmas kaplama ile çimentolu karbür substrat arasında bir veya daha fazla geçiş katmanı hazırlamaktır. Makul malzeme seçimi ve tasarımı sayesinde, hazırlanan geçiş katmanı ayrıca arayüzün fiziksel özelliklerindeki ani değişimi azaltabilir ve kaplama ile substrat arasındaki CTE gibi fiziksel özelliklerdeki farklılıkların neden olduğu termal stresi azaltabilir. Geçiş tabakası yönteminin uygulanması genellikle alt tabakanın yüzey tabakasına zarar vermez veya kaplama aracının kırılma mukavemeti gibi mekanik özellikleri etkilemez ve yüksek Co içerikli çimentolu karbürler üzerinde CVD elmas kaplamaları hazırlayabilir ve bu nedenle şu anda WC'yi araştırıyor ve geliştiriyor- Elmas kaplamanın Co substrat yüzeyi üzerine yapıştırılması için tercih edilen yöntem.

Önceki analize göre, geçiş tabakası yönteminin uygulanması Co'nun negatif katalitik etkisini etkili bir şekilde baskılayabilir ve matrise zarar vermez. Bununla birlikte, elmas kaplamanın yapışma mukavemetini arttırma işlevini etkili bir şekilde elde etmek için, geçiş tabakasının malzeme seçimi ve hazırlama yöntemi çok önemlidir. Geçiş tabakası malzemelerinin seçimi genellikle aşağıdaki ilkeleri gerektirir:

Elmas kaplamanın biriktirme sıcaklığı genellikle 600 ~ 1200 ° C'dir, geçiş tabakası malzemesi daha yüksek sıcaklıklara dayanabilir, yumuşama ve erime meydana gelmez;

(2) Sertlik ve CTE özellikleri, uyumsuzluk performansından kaynaklanan termal stresi azaltmak için en iyi elmas ve çimentolu karbür arasına yerleştirilir;

(3) Elmas birikimi sırasında Co'nun yüzeye göç etmesini önler veya kararlı bileşikler oluşturmak için Co ile reaksiyona girer;

(4) Elmas malzemelerle iyi uyumluluğa sahiptir. Elmas geçiş tabakasının yüzeyinde çekirdekleşebilir ve büyüyebilir. Çekirdeklenme aşamasında, elmas hızla çekirdekleşebilir ve yüksek bir çekirdeklenme oranına sahip olabilir.

(5) Kimyasal özellikler stabildir ve yumuşak bir ara kat oluşumunu önlemek ve kaplama sisteminin performansını olumsuz yönde etkileyecek şekilde belirli bir mekanik mukavemete sahiptir.

Günümüzde insanlar daha çok geçiş katmanlarını incelemekte ve kullanmaktadırlar, esas olarak metalleri, metal karbon / nitrürleri ve bunlardan oluşan kompozit geçiş katmanlarını içermektedir. Bunlar arasında Cr, Nb, Ta, Ti, Al ve Cu genellikle metal geçiş tabakası için geçiş tabakası malzemeleri olarak kullanılır ve PVD, elektrokaplama ve akımsız kaplama yaygın olarak hazırlama yöntemleri olarak kullanılır ve PVD yöntemi En yaygın olarak kullanılan. Sonuçlar, karbon-philic metalin oluşturduğu geçiş tabakasının elmas kaplamanın yapışma mukavemetinin geliştirilmesinde zayıf karbon metalden daha etkili olduğunu göstermektedir. Elmas birikiminin ilk aşamasında, ilk olarak metal tabakanın yüzeyinde bir karbür tabakası oluşur ve bu karbür tabakası elmasın çekirdeklenmesini ve büyümesini kolaylaştırır. Bununla birlikte, metal geçiş katmanı büyük bir CTE'ye ve kalınlık için yüksek bir gereksinime sahiptir. Çok kalınsa, termal gerilmede bir artışa yol açacak, bağlanma mukavemetini azaltacak ve Co'nun dışa difüzyonunu tamamen bloke etmek için çok ince olacaktır. Buna ek olarak, metal geçiş tabakası nispeten yumuşaktır, bu da ilave sert fazın ortasında, kaplama sistemi performansının eşleşme derecesine elverişli olmayan yumuşak bir tabaka.

Karbon / nitrür geçiş tabakasının sertliği saf metalinkinden daha yüksektir ve kaplanmış aletin kullanım performansını azaltmada bir problem yoktur. WC, TiC, TaC, TaN, CrN, TiN ve SiC şu anda en çok çalışılan ve kullanılan geçiş tabakası bileşikleridir. Bu gibi geçiş katmanları genellikle reaktif magnetron püskürtme ve diğer yöntemlerle hazırlanır. Çalışmalar, karbon / nitrür geçiş tabakasının Co'nun difüzyonunu etkili bir şekilde engelleyebildiğini ve dolayısıyla elmas kaplamanın bir dereceye kadar yapışma mukavemetini artırabildiğini göstermiştir. Bu tür geçiş tabakalarının yapışma mukavemetinin iyileştirilme derecesi genellikle geçiş tabakasının CTE'sinin matris ve elmas ile eşleştirilmesine, geçiş tabakasının yapısına ve geçiş tabakası malzemesinin ve elmasın ıslanabilirliğine bağlıdır.

Ortak metal karbürler, metal nitrürlerden daha düşük bir CTE'ye sahiptir ve karbür geçiş katmanları kullanıldığında, elmaslar, doğrudan geçiş katmanı üzerinde çekirdeklenebilir, bu da metal geçiş katmanları ve nitrit geçiş katmanlarına kıyasla çekirdeklenme süresini kısaltır. Buradan, karbürlerin daha ideal geçiş tabakası malzemelerinden biri olduğunu görebiliriz. Bu metal karbür malzemeler arasında HfC, NbC, Ta C ve benzerleri nispeten düşük bir CTE'ye sahiptir. Ek olarak, metalik olmayan karbür SiC, çimentolu karbür ve elmas arasındaki tüm karbürlerde (β-SiCCTE = 3.8 × 10-6 / ° C) en düşük CTE'ye sahiptir. Bu nedenle, SiC geçiş katmanı üzerinde birçok çalışma vardır. Örneğin, Cabral G ve Hei Hongjun, elmas kaplamanın birikmesi için çimentolu karbür yüzeyinde SiC geçiş katmanı hazırlamak için CVD yöntemini kullandılar. Sonuçlar, SiC geçiş katmanının elmas kaplama ile çimentolu karbür substrat arasındaki bağlantıyı etkili bir şekilde arttırabildiğini göstermektedir.

Yoğunluğu, ancak CVD yöntemi doğrudan çimentolu karbür yüzeyinde SiC kaplama hazırlanan, çimentolu karbür substrat Co Co bağlayıcı faz içeriği çok yüksek olmak kolay değildir (genellikle <6%), ve biriktirme sıcaklığı kontrol edilmesi gerekir düşük bir aralıkta (genellikle 800 ° C veya daha fazla). Bunun nedeni, Co-binder fazının katalitik etkisinin yüksek sıcaklıklarda önemli olması ve SiC bıyıklarının oluşmasına neden olması ve bıyıklar arasında büyük miktarda boşluk bulunması ve bir geçiş katmanı olarak kullanılamamasından kaynaklanmaktadır. . Bununla birlikte, düşük biriktirme sıcaklıklarında, gevşek amorf SiC kaplamaların oluşması eğilimi vardır. Bu nedenle, yoğun, sürekli ve SiC kaplama tabakasının bir tampon tabakası olarak kullanımı tatmin eden bir biriktirme sıcaklığı aralığı daha küçük hale getirilir. Bu nedenle, bazı araştırmacılar SiC'yi bir geçiş tabakası olarak kullandıklarında, yüksek yapışma mukavemeti elde etmek için, sert alaşım tabakasında Co'nun çıkarılması için önce aşındırma kullanılması gerekir. Bu nedenle, Co'nun katalitik etkisi, SiC'nin bir geçiş tabakası olarak kullanımını sınırlayan anahtar faktörlerden biri haline gelmiştir.

Kompozit geçiş tabakası genellikle iki veya daha fazla türde metal veya metal karbon / nitrür malzemesinin bir kombinasyonundan oluşan çok katmanlı bir kaplamadır. Şu anda, W / Al, W / WC, CrN / Cr ve ZrN / dahil olmak üzere birçok kompozit geçiş katmanı bulunmaktadır. Mo, TaN-Mo ve 9x (TaN / ZrN) / TaN / Mo vb. De çoğunlukla PVD veya CVD yöntemleridir. Bu tür geçiş katmanları genellikle bir Co difüzyon bariyer katmanı ve elmas benzeri çekirdeklenmeyi destekleyici katman içerir, yani geçiş katmanının fonksiyonel gereksinimleri, makul çok katmanlı bir malzeme kullanılarak tamamen karşılanır. Tek metal geçiş katmanı ve karbon / nitrür geçiş katmanı ile karşılaştırıldığında, kompozit geçiş katmanı, elmas kaplama ile çimentolu karbür substrat arasındaki bağlanma mukavemetini arttırmak için daha elverişlidir. Bununla birlikte, mükemmel performansa sahip bir kompozit geçiş tabakası elde etmek için, genellikle makul malzeme seçimi ve tasarımı yapılması gerekmektedir. Aksi takdirde, malzemelerin fiziksel özelliklerindeki büyük farklılıklar veya artan arayüz sayısı nedeniyle beklenen etki elde edilemeyebilir.

Geçiş katmanının hazırlama yöntemi açısından, araştırmacılar, geçiş katmanını hazırlamak için çoğunlukla fiziksel buhar biriktirme (PVD), elektrokaplama, akımsız kaplama ve CVD kullanmaktadır. Elde edilen geçiş tabakası ve matris genellikle fiziksel olarak bağlanır veya sadece bulunur. Elmas kaplama / çimento substratı arasına bir veya daha fazla yeni arayüz ekleyen nanometre kalınlığında bir difüzyon katmanı. CTE ve geçiş katmanı malzemesi ile WC-Co arasındaki sertlik gibi fiziksel özelliklerde ani bir değişiklik de arayüzey stres sorunlarına neden olur ve bu arayüzey stres, geçiş tabakasının kalınlığının ve geçiş tabakası sayısının artmasıyla artacaktır. bir ölçüde etkiler. Arttırılmış yapışma mukavemeti. Ayrıca, SiC dışında, bağlanma mukavemetinin geliştirilmesine elverişli olmayan diğer geçiş tabakası malzemeleri ve elmaslar arasında CTE ve sertlik gibi özelliklerde hala büyük farklılıklar vardır. Bu nedenle, geçiş katmanının yeni bir hazırlama yöntemini araştırmak, kompozisyon ve kompozisyonun bir gradyanına sahip bir geçiş katmanı elde etmek ve yeni arayüzün neden olduğu arayüz stresini önlemek için, elmasın yapışma mukavemetini arttırmak özellikle önemlidir. kaplama.