用途广泛的纳米金刚石涂层
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金刚石优异的物理特性使其成为已知硬度最高的材料,并可制成用途广泛的高性能涂层。业者对金刚石涂层的应用前景感到振奋,尤其对涂层医疗器件很感兴趣。金刚石具有很好的抗菌性,细菌很难在其上生长繁殖。

图1 加工铝件后,未涂层微型刀具上粘附有铝屑。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 NCD涂层微型刀具上无粘附现象。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
金刚石优异的物理特性使其成为已知硬度最高的材料,并可制成用途广泛的高性能涂层。位于美国威斯康星州的NCD技术公司是一家纳米多晶金刚石(NCD)涂层供应商,该公司创始人之一和首席技术官Patrick J. Heaney博士表示,“我对金刚石涂层的应用前景感到振奋,尤其对涂层医疗器件很感兴趣。”
这些医疗器件中也包括人体植入物。由于金刚石不会引起人体的排斥反应,因此可作为涂层材料沉积在用于制作植入物的各种金属表面,这些金属(如钴、铬和镍)往往会给那些对金属过敏的患者造成健康问题。Heaney补充说,金刚石具有很好的抗菌性,细菌很难在其上生长繁殖。“为了提高人体对金属植入物的接受程度,你可以在其表面涂覆金刚石涂层。”不过,目前金刚石涂层植入器件尚未投放市场。
由于金刚石硬度极高,因此具有良好的耐磨性。美国阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)的研究人员指出,虽然与传统的金属和聚合体植入物相比,纳米金刚石涂层人造关节并不会显著减少磨损造成的碎屑,但应该能够避免人体免疫系统对这些碎屑发起攻击所引起的炎症和毒性。
UAB艺术与科学学院物理系副研究员Vinoy Thomas博士表示,“我们的研究结果进一步证实了以前的结论,即纳米金刚石对于人体活细胞确实无毒无害。下一步工作是通过实验,确定不同粒度和浓度的纳米金刚石颗粒的涂层效果,以及验证这些涂层配方的安全性。”
航空航天工业是NCD技术公司关注的另一个具有巨大潜力的领域,该行业有种类繁多需要经受磨损的运动零部件。但Heaney指出,该公司主要专注于纳米金刚石涂层微型立铣刀的开发。目前,NCD技术公司正与Performance微型刀具公司合作,利用热丝化学气相沉积法(CVD),对直径小至5μm的微型立铣刀进行涂层。预计这种涂层微型刀具在几个月内就可以上市销售。
对常规尺寸刀具进行涂层之前,为了去除硬质合金基体表面层中会影响金刚石生长并生成石墨的钴,需要对刀具进行酸蚀处理。但为了防止酸蚀处理削弱微型刀具的强度,NCD技术公司采用了不同于传统工艺的专有“先进处理技术”,以避免蚀除刀具材料和产生应力集中。沉积出的金刚石涂层的sp3结合率达到了96%-97%(天然金刚石的典型水平),只在晶界处存在比例很小的石墨。
Heaney指出,与传统的涂层工艺相比,NCD技术公司的新工艺还能提高涂层的粘附性。标准涂层技术的籽晶层与刀具之间的粘附并不牢固,与之不同的是,NCD涂层通过在预处理时形成的成核点,实现了与刀具的化学结合。 “实际上,我们改变了硬质合金基体中的一些碳原子,从而使金刚石能脱离原有的碳原子生长。我们利用了这些成核点,而不是增加一个籽晶层。”
Heaney在威斯康星大学麦迪逊分校攻读博士学位时完成了NCD涂层的初步研究工作。该校的机械工程副教授Frank Pfefferkorn指出,Heaney的研究团队能够稳定沉积出厚度约200nm的保形涂层(意味着涂层上没有裂缝)。即使对于尺寸很小的微型刀具,200nm厚的NCD涂层也能有效地减缓切削刃钝化,同时使涂层像“外骨骼”一样,在刀具周围起到支撑作用。
Pfefferkorn表示,“NCD涂层可以提高刀具刚性,因为金刚石的刚性比硬质合金高得多。”这种高刚性有助于防止刀尖断裂,而刀尖断裂是微型刀具最常见的早期失效类型。“涂层越厚,刀具的使用寿命越长。”
Heaney能够沉积出厚度仅为50-60 nm的NCD涂层,但他发现,200nm或更厚的涂层对微型刀具效果更好,这一厚度仍然大大小于被涂层刀具的尺度范围。
Pfefferkorn强调了根据刀具尺寸和加工用途量身定制NCD涂层的重要性,因为切削刃的锋利度是切屑负荷的函数。他指出,当刀具尺寸增大和工件硬度减小时,切屑负荷也随之增大,从而可以使用更厚的涂层。“然而,一把直径仅为5µm的立铣刀即使在加工较软的合金材料时,也无法采用较大的切深,因此需要采用厚涂层,而NCD技术公司能够沉积这种厚涂层。”
涂层微型刀具的使用寿命约为未涂层微型刀具的10倍。此外,无论是湿切削还是干切削,工件碎屑总会粘附在未涂层的微型刀具上,而NCD涂层微型刀具则不会出现这种情况。Pfefferkorn说,“让切屑顺畅地排出容屑槽,而不粘附在刀具上,对于微切削加工至关重要。一旦切屑发生粘结,后面的切屑就不得不将其推出刀槽,迫切其向上挤压,很快就会导致微型刀具折断。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2014-3-11 15:31:27

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