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CVD金刚石膜的工程应用

CVD金刚石膜的工程应用

  • 分类:公司新闻
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  • 来源:
  • 发布时间:2022-10-30
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【概要描述】金刚石具有很多优异的物理力学性能,如超高硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性等。所谓工程应用就是将这些机械性能充分开发出来应用于工业各个领域的举措。

CVD金刚石膜的工程应用

【概要描述】金刚石具有很多优异的物理力学性能,如超高硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性等。所谓工程应用就是将这些机械性能充分开发出来应用于工业各个领域的举措。

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金刚石具有很多优异的物理力学性能,如超高硬度、强度、耐磨性、抗腐蚀性等。所谓工程应用就是将这些机械性能充分开发出来应用于工业各个领域的举措。

CVD金刚石膜具有和单晶金刚石几乎相似的物理化学性能,且制作工艺相对简单,应用CVD金刚石涂层技术将金刚石膜沉积于部件基体表面,使其具有类似金刚石的性能,是一项非常具有前景的工程应用项目。

01、整体式刀具

随着现代机械加工朝着高精、高速、高效的方向发展,对刀具性能提出了相当高的要求。因此,开发出耐磨性更高、能长时间进行稳定机械切削加工的超硬材料刀具是发展的必然趋势。

一方面由于天然金刚石资源极为有限,且价格昂贵;另一方面由于单晶金刚石具有解理面,冲击韧性较低,限制了其在工业中的大规模推广使用。采用高温高压法烧结的聚晶金刚石(PCD)刀具材料虽然具有各向同性从而解决了单晶金刚石冲击韧性较低的问题,但由于含有5%左右的粘结剂成分,导致刀具使用寿命和表面加工质量远低于天然金刚石刀具。

在复杂形状硬质合金基体表面沉积附着强度高、表面光滑性好的CVD金刚石膜的制备技术一直是制约CVD金刚石膜涂层刀具大规模产业化应用的技术难题之一,这极大地限制了CVD金刚石膜的应用范围。

在硬质合金铣刀表面沉积一层CVD金刚石膜能有效地增强其耐磨性。在加工石墨和加工Al/SiC-MMCs工件的试验中,均揭示了金刚石膜作为耐磨材料应用在硬质合金刀具表面的优越性,为金刚石膜的进一步产业化应用奠定了基础。

02、煤液化减压阀关键部件

煤直接液化工艺系统高温高压分离器下游排放残渣用的减压阀,在实际工作时需要面对高温(455℃)、高压差(约20MPa)、高流体速度(约107m/s)和高固态浓度(固体颗粒浓度高达50%以上)流体冲蚀的极端工况条件。因此,对其阀座、阀芯等关键部件受冲蚀表面的抗冲蚀磨损性能和使用稳定性提出了非常高的要求。

过去这些关键部件主要依赖进口,但即使价格昂贵的进口部件,其平均使用寿命也只有不到400h。在煤液化工业生产过程中,需要频繁进行设备性能检测及部件更换,严重影响生产效率和经济效益。因此,研究开发具有自主知识产权的抗冲蚀磨损性能良好的煤液化减压阀阀座和阀芯部件具有重大意义。在常用的CVD金刚石涂层沉积方法中,热丝CVD法具有沉积设备简单、可实现大面积复杂形状沉积的优点,非常适合用于阀座内孔弧面和阀芯圆柱外表面上金刚石涂层的沉积。试验表明:沉积获得的金刚石涂层减压阀部件的使用寿命达到了1200h,比传统未涂层的减压阀使用寿命提高了3倍以上。

03、铣削CFRP

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、抗疲劳、耐腐蚀和可设计性强等优异性能,被广泛应用于航天、航空、汽车和能源等领域。一般CFRP制件的成形性主要采用近净成形技术,但成形后因满足不了精度或装配需要,常需要进行铣削加工。CFRP属于典型的难加工材料,在加工过程中,高硬度、低导热性的碳纤维增强相会严重磨损刀具,同时切削区的局部高温会加速刀具刃口磨损;铣削后材料易产生毛刺、撕裂、分层等加工缺陷。传统硬质合金铣刀已不能满足其加工要求,需要增加耐磨涂层。金刚石膜因硬度高、导热率高及摩擦系数低等优点,成为制造CFRP刀具耐磨涂层的理想材料。

CVD金刚石涂层刀具的制备过程不受刀具形状的限制,涂覆后刀具可以直接使用,适用于制备复杂形状的刀具,如铣刀、钻头等。

杨小墦等在研究CFRP的切削加工特点的基础上,在相同的硬质合金立铣刀基体上,分别制备了粗晶、细晶、复合晶3种不同涂层工艺的CVD金刚石膜。在相同的切削条件下对碳纤维复合材料进行铣削加工试验,复合晶工艺的金刚石涂层铣刀使用寿命最长,约为粗晶金刚石涂层铣刀的1.35倍,细晶金刚石涂层铣刀的1.59倍,更适合碳纤维复合材料的铣削加工。

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