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鄭州華晶金剛石股份有限公司

元素六 | 利用PCD刀具加工脆性材料以及激光技術

關鍵詞 元素六 , PCD刀具|2020-03-26 11:05:06|來源 Carbontech
摘要 ElementSix隸屬于“鉆石很久遠,一顆永流傳”大名鼎鼎DeBeers集團公司,主要負責設計、開發和生產合成金剛石和其他超級材料,在全球運營,并在中國、德國、愛爾蘭、南非、英國...

       Element Six 隸屬于“鉆石很久遠,一顆永流傳”大名鼎鼎De Beers 集團公司,主要負責設計、開發和生產合成金剛石和其他超級材料,在全球運營,并在中國、德國、愛爾蘭、南非、英國和美國等地設有生產基地。

       Element Six HPHT 超級材料解決方案在工業中的應用包括切割、研磨、鉆孔、剪切和拋光等,廣泛用于汽車及消費品電子、采礦與道路組件以及石油天然氣勘探等領域。Element Six 人工合成CVD金剛石廣泛用于熱管理,聲學,光學、水處理、半導體和傳感器,量子計算等領域。

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《利用PCD刀具加工脆性材料以及激光技術》

       一、 目前合成金剛石主要有2種方法:
       (一)高溫高壓法(HPHT)
       這種方法模擬了金剛石自然形成的條件
       ? 高壓是由于液壓壓力集中在一個小面積上而產生的
       ? 在如此高的溫度和壓力下,碳原子溶解在鐵、鈷或鎳等熔融金屬中,然后轉化成微米大小的人造金剛石
       ? 這些材料可以通過高溫高壓燒結成一種叫做PCD的復合材料,這種復合材料廣泛應用于各種工業應用,如機械加工、切割和石油天然氣鉆探

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       (二) 化學氣相沉積(CVD)? 微波能用于產生高溫等離子體的氫氣和甲烷
       ? 合成金剛石層從碳氫化合物等離子體沉淀到冷卻的基底上
       高純度金剛石、大面積晶圓沉積、摻雜金剛石

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       金剛石,作為新材料的代表,眾多亮點于一身,引領著信息時代的發展,在環保醫療、功能器件、量子領域、光學窗口等多個高新技術領域都有巨大的應用潛力。
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       二、脆性材料加工
       在用戶現有設備基礎上,集PCD優異材料特性,科學的槽型設計,精密的激光制作集于一體,為硬脆性材料高效精密加工提供了可靠的解決方案。主要加工以陶瓷、玻璃、藍寶石等為代表的硬度高、脆性大的材料??蓪崿F在材料塑形域加工 , 具有加工效率高,切削力小、刀具壽命長、加工表面質量高、殘余應力小,可避免亞表面損傷等優點。

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      三、試驗驗證及案例分析

      問題一:加工PCD,用什么激光合適?

      針對PCD加工,目前主要使用1064nm波長的IR紅外激光, 532nm波長的綠光,納秒脈沖激光(飛秒脈沖激光會越來越普遍,伴隨著對激光成本的控制)

      問題二:加工PCD用哪種波長的合適?

      選用激光燒蝕的方式去除材料,需要將激光波長和材料吸收波長匹配以獲得最佳去除率。但是,這種最佳吸收波長的短波激光造價太高, 綜合考慮,一般采用較容易獲得的1064nm波長的IR紅外激光,532nm波長的綠光。

      問題三:hpht與cvd,在切削應用中的選擇有什么需要注意的?

      首先這兩種技術可以生產四種產品類別的金剛石材料:HPHT 單晶,HPHT聚晶,CVD單晶,CVD聚晶,這些材料因其不同的材料特性和尺寸形式,從用途來說就有很大差異。

      單晶金剛石:有晶面取向,適合超精密加工(納米級公差)

      HPHT雜質含量高(N&催化劑,位錯多),硬度較CVD單晶稍低,韌性低,適合金工,木工,修整,拉絲,貴金屬加工等,可用邊長達10mm

      CVD雜質含量低(N少量,位錯低),硬度高,韌性好,導熱率極高, 適合貴金屬加工/精密車削,可用邊長達4mm

聚晶金剛石:無晶面取向,適合精密加工(微米級公差)

      HPHT,含結合劑鈷,硬度,導熱性較CVD聚晶低,韌性好,用途最為廣泛,金工,木工;CVD雜質含量低,有向生長型,一般用于熱管理和光學應用,也可用于金工,木工和修整。

      問題四:什么時候講一下PCBN?

      如果有需要,后面可以安排。

      問題五:有適用于藍寶石拋光的pcd型號推薦嗎?

      藍寶石和玻璃一樣也是先磨削再拋光。目前也是主要用砂輪磨削。PCD可以替代。但是刀具設計和玻璃有所不同,這個要具體驗證。原理上和PCD加工玻璃一樣,要看工件特征和對表面質量的要求。

      問題六:CMX850的金剛石含量是80%多,這個含量是質量百分比還是體積百分比

      體積百分比

      問題七:生產培育鉆石也會有高溫高壓法和CVD法,和制備刀具的有什么區別

      首先LGD-合成鉆石都是單晶,而刀具材料既有單晶也有聚晶。

      另外,因為兩種用途的關注點不一樣,所以對產品特性要求不一樣,具體的工藝會有區別。

      例如:HPHT(高溫高壓法)Mono單晶金剛石(一般黃色),可用于切割修整工具,拉絲模模芯等,要求硬度和一定的韌性

HPHT-LGD, 對顏色,凈度,大小有要求,所以從工藝上會有區別,比如增加一個先把石墨轉為鉆石粉的步驟(利于獲得大尺寸鉆石),增加氮吸收劑(利于去除黃色),后期也可能會有熱/壓/輻照等處理步驟。

      但是不管是用作珠寶鉆石還是工具,所使用的HPHT,CVD基本原理都是一樣的。

      問題八:CVD的焊接性能怎樣啊

      焊接性能或者說焊接強度取決于:焊料,基材,焊接工藝,參數

      一般來說,CVD適合的焊接條件:Ag-Cu活性焊料,真空焊/氬氣保護焊, 溫度要高于850℃已利于形成TiC的結合層,單晶CVD 比聚晶CVD更耐高溫。 

      問題九:Cvd用激光加工好還是磨的好

      激光用于去除較大的CVD余量,其余的則傾向于磨削,但隨著激光燒蝕技術的發展,這種情況可能會改變

      問題十:CVD金剛石做刀具材料,如何加工

      激光和磨削,激光介紹很多了,這里簡單說一下磨削需要注意的點。

      和HPHT類似,CVD金剛石分也分聚晶和單晶兩種。聚晶金剛石各向同性比較好加工,而單晶金剛石屬于各向異性,在磨削時有易加工面和難加工面之分(激光燒蝕沒有區別)

      所以磨削是要區分100/110/111 面,一般選用金屬結合劑砂輪。

      問題十一:粗粒度與中粒度在銑削玻璃時,壽命有明顯區別嗎?是不是粗粒度302的更好?刀具的刃型檢測主要用什么類型的顯微鏡

      CTM302的壽命更好,但是韌性不好,在切削力不穩定或者太大的情況下,容易崩刃影響刀具壽命。CMX850的表面效果是最好,但是壽命在相同工況下不如CTM302。目前還測試過5um的Planar,表面效果和刀具壽命比較合適。10um的CTB010綜合性能可能會更好,有待驗證測試。

      刀具刃型檢測使用專用刀具檢測儀,例如Zoller

      問題十二:現在國內有可以加工PCD刀具的激光設備廠家嗎

      牧激

      問題十三:老師后面要不要也把聚晶這塊講了呢

      如果有需要, 沒問題。

      問題十四:剛才講的脆性材料可以用MCD加工嗎?

      可以,但是成本不受控。

      問題十五:如何加工材料:鋁基碳化硅 含硅量60%?

      金剛石很適合這種MMC(金屬基輔材)的加工,和其他材料相比壽命可達幾十倍的提升。我們在課程中講的三種不同制造方法的刀具磨損對比時,用的工件材料就是AMC225CA(40%SiC)。

      因為大量SiC的存在,這種材料很硬,所以相應的刀具材料越硬越好(尤其是車削加工)。

      車削時按照刀具Vb磨損速度:MCC單晶

      鉆削,銑削選擇粗顆粒PCD(CTM302),若發生甭刃,可調整為中等粒度CTB010。

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