金刚石涂层简介

碳纤维复合材料的加工工艺问题以及针对碳纤维加工所使用的金刚石涂层相关问题目录一，碳纤维特性二，碳纤维复合材料的应用三，碳纤维复合材料加工中的难点四,碳纤维复合材料加工中容易出现的问题及分析五，决定刀具性能的三要素六，金刚石涂层优点七，金刚石涂层原理及应用范围八，常见的金刚石涂层设备及工艺十，金刚石涂层前处理十一，切削实例十二，结论碳纤维的特性碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点，归纳如下：一、轻质、高强度、高模量碳纤维的密度是1.6-2.5g/cm3，碳纤维拉伸强度在2.2Gpa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。二、热膨胀系数小。绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室内为负数（-0.5～-1.6）×10-6/K，在200～400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。三、导热性好。通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。1四、耐化学腐蚀性好。从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。五、耐磨性好。碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。六、耐高温性能好。碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航空航天工业。七、疲劳强度高。碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%-25%.因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。碳纤维增强型复合材料碳纤维复合材料在航天航空的应用航天应用：军机、民机应用航空应用：1.卫星及空间站的结构材料和部件2.导弹用结构材料3.运载火箭用结构材料复合材料在汽车制造领域的应用复合材料可以减轻车身重量，降低油耗，减少尾气排放，提高装载量；其抗冲击性强，能量吸收能力强，可以非常好地改善汽车的安全性能。对于未来的汽车工业，碳纤维复合材料蒋成为汽车制造的主流材料，将在汽车发动机气缸，机械驱动轴，车体板、刹车片和其他部件得到发展和应用。复合材料的民用领域运动器材用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等碳纤维复合材料在新能源的应用碳纤维复合材料具有质量轻、强度和刚度高的优异性能和优异的抗疲劳特性、良好的导电特性能满足大型风机叶片开发对材料的要求。可以有效的减弱恶劣环境对叶片材料的损害，避免雷击对叶片造成的损伤。碳纤维复合材料在船舶和海洋工程应用船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆。总结：碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。碳纤维结构碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39到3.42A，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维难以切削的复合材料碳纤维复合材料是属于难切削的材料，构成这种材料难切削的原因主要有硬度高，层间剪切强度低和导热性差，其难以加工性表现为刀具磨损快，切削阻力大和切削温度高而产出的分层和烧糊，容易产生热堵塞(se)现象，从而导致碳纤维表面碳化，影响刀具使用寿命以及表面加工质量。碳纤维复合材料加工中易出现以下的问题碳纤维材料分层碳纤维材料拉丝碳纤维材料翻边碳纤维材料毛刺碳纤维材料烧糊原因分析1.碳纤维复合材料板材是由碳纤维层铺叠而成，层与层之间用树脂粘结。由于碳纤维复合材料是一种各向异性材料，其机械性能在不同方向各不相同，材料沿纤维铺层方向强度较高，而垂直纤维铺层方向的强度则取决于树脂粘结的强度，一般情况下，层间结合强度仅为纤维方向强度的2.2%。2.钻孔加工时，存在垂直于纤维铺层方向的轴向力Fz,从而在叠层板内产生正应力，当切削力产生正应力超过树脂结合强度，则会出现树脂断裂、纤维分层或者劈裂等现象，轴向力越大，分层、劈裂现象越严重。－决定刀具性能的3要素－精度刚性切削阻力耐崩刃性切屑处理性几何形状耐摩耗性耐热性润滑性表面处理工具性能素材耐摩耗性耐热性耐崩刃性含钴量6%左右素材通过对碳素钢1、高速钢2、硬质合金3、聚晶金刚石刀具4进行碳纤维复合材料切削实验，得到切削时间与刀具磨损量之间的关系曲线图。碳素钢作为切削刀具材料在碳纤维复合材料加工领域中已经远远不能满足使用要求：而高速钢材料由于近年晶粒细化，增加了刀具强度和耐磨性，在碳纤维复合材料加工领域仍可以继续使用，而硬质合金刀具，由于晶粒超细化，结合界面增加，出现了整体硬质合金刀具群，改善了刀具的刚性和使用寿命，从而在碳纤维复合材料加工领域中获得广泛应用；聚晶金刚石刀具的出现，是碳纤维复合材料表面加工质量大幅度提高。以车代磨逐步成为可能。有关金刚石涂层的素材Si3N4系陶瓷、WC系硬质合金与金刚石的热膨胀系数较为接近，有较高的硬度、耐磨性，和热稳定性。陶瓷本身脆性大，抗冲击性能差。目前应用最为广泛的刀具材料WC系硬质合金。WC系硬质合金具有较高的硬度和红硬度，韧性较好，其与CVD金刚石涂层的结合，有效解决了传统刀具材料硬度与韧性之间的矛盾，大大提高了硬质合金刀具的切削性能和使用寿命。由于钴元素会使金刚石晶粒石墨化，因此要选用钴含量比较少的材料作为素材。含钴量超过10%的素材也可以涂上金刚石涂层，但是密着度不高，容易造成金刚石涂层脱落、断裂、不均匀等情况。通过我司实验比较得出，含钴量在6%左右的硬质合金比较适合金刚石涂层。刀具几何形状碳纤维复合材料是属于难切削的材料，构成这种材料难切削的原因主要有硬度高，层间剪切强度低和导热性差，其难以加工性表现为刀具磨损快，切削阻力大和切削温度高而产生的分层和烧损，从而大大影响刀具使用寿命。针对不同的碳纤维复合材料，应该选用合适的刀具几何形状和几何参数，这对于碳纤维复合材料来说是非常重要的。金刚石涂层ＣＶＤ（ChemicalVaporDeposition：化学蒸着法）通过气体的气相反应来形成涂膜处理温度→７００～１0００℃金刚石涂层优点（表面处理）金刚石涂层是用化学气相蒸着法沉积在可转位的刀片或者螺旋刀具的表面上。金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性，所以金刚石涂层完全可以用于具有复杂形状的切削刃的螺旋刀具以及具有复杂断屑槽型的多刃刀具。极大提高了材料的切除率，对于加工表面光洁度要求高、抗磨粒磨损的切削加工，最适宜采用金刚石涂层刀具，而采用未涂层的硬质合金刀具进行加工很难达到上述要求。金刚石的物性値物质名称硬度（MHV)热传导率热膨胀系数(kg/mm2)(cal/cm・sec･℃)(×10-6/℃)碳化钨WC22000.35.1碳化钛TiC32000.047.6氮化钛TiN20000.079.2立方晶氮化硼ｃBN45003.14.7金刚石C900053.118000.1958000.0411高速钢超硬合金(K種)金刚石涂层的原理1.使原料气体分解。2.被分离后的碳成为金刚石析出到基材表面上。3.析出到基材表面上的石墨被氢转化为金刚石。从而只剩下金刚石结晶。H2CH4能量等离子热ＣＨＨ基材CVD成膜(化学蒸着法)1.微波CVD法DiamondCoatingSystem概要微波CVD法利用甲醇和氢气的混合气体，用微波等离子体CVD法在一定温度下在基材表面制备出纳米金刚石薄膜。微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)制备金刚石膜具有无电极污染、结晶度高、晶体缺陷少、表面平整等优点,是制备高质量金刚石膜最理想的方法。Balzers(BAI730D)2.强电流直流CVD法概要强电流直流CVD法它可提供较大的等离子体表面积,一次可完成对于64支不同形状的硬质合金工具的金刚石涂层。此外,此设备对工件的热负荷较小,有利于实现对于被涂层工具的温度的控制,从而有助于改善硬质合金工具金刚石涂层工艺的重复性。同时,强电流扩展电弧CVD设备具有涂层均匀性和环绕性好的特点。3熱丝涂层装置原理在高温热丝加热下，促使反应碳氢气体解离激发，产生大量的活性碳原子，氢原子，电子，离子等反应粒子，经过一系列复杂化学反应到达基体表面，在合适的地点形核，生长成为金刚石。热丝CVD法沉积金刚石薄膜利用高自由能碳原子，较低温度下合成金刚石薄膜，该条件下，石墨碳为稳定相，石墨、金刚石之间自由能相差很小，大部分碳转化为SP2结构石墨，少部分转化为SP3结构金刚石，沉积过程氢原子起到了转化SP2石墨为SP3金刚石作用。晶体尺寸传统的金刚石涂层是由平面形晶体组成，其晶体尺寸为5-8um,这种粗晶结构在加工高硬的耐磨材料（如石墨、陶瓷）时极为有效，加工时，这些材料会变成粉末。平面形晶体表面的凹凸不平，其作用可以视为一种显微结构的粗糙刀具，可以提高切削效率，但是这种表面也增加了切削负荷，阻碍切削流动，所以加工产品表面光洁度很差。而纳米晶体的金刚石涂层晶体结构是用一种特殊的CVD方法生产的，因为它晶体尺寸仅为1-2um,所以晶体的凹凸不平对加工产品的表面光洁度影响较小。多层纳米晶体金刚石涂层多层复合纳米金刚石涂层是金刚石微细晶粒和纳米晶粒交替地沉积在彼此的表面上，最终形成非常光滑的表面。其结果是涂层具有更出色的机加工性能。且具有最佳的薄膜应力条件和良好的附着性，在加工复合材料时可以避免刀具切削刃粘着切屑且具有更长的使用寿命金刚石涂层与基体之间的附着力金刚石涂层刀具寿命的决定因素是涂层与基体之间的附着力。附着力差的原因可归结为三方面：(1)金刚石涂层的形核密度低，使得涂层与基体之间的界面上存在大量孔隙；(2)硬质合金基体中的Co具有催石墨化的作用；(3)金刚石与WC-Co硬质合金热膨胀系数不匹配导致涂层内存在较大的残余应力。对硬质合金基体表面进行前处理主要是抑制钴对金刚石薄膜形核及生长的不利影响，减少石墨或非晶碳的生成；增加基体与反应气源间的接触面积；提高硬质合金的表面活性，减少薄膜与基体间的晶格失配度和热膨胀系数的差异，促进金刚石的成核与生长，提高金刚石薄膜与硬质合金刀片的结合强度，改善金刚石薄膜的质量。金刚石涂层的前处理工艺前处理工艺:1.基材粗糙表面的处理2.酸处理:去除表层的Co,3.种核处理:在金刚石粉及酒精液体中加超声波清洗基材粗糙表面的处理利用金刚石微粉或金刚石研磨膏对基体表面进行研磨处理，使基体表面或表层出现大量的机械划痕，增大表面缺陷密度，从而增加金刚石形核密度及金刚石膜基间附着力。并且，残留在基体表面的金刚石微粉可作为金刚石形核的籽晶，对金刚石形核密度和膜基间的附着力也会起到有利影响。酸处理国内外大量的实验研究表明，采用腐蚀性的酸溶液浸蚀(酸洗)、等离子体刻蚀、氧化处理、化学热处理以及