磁力研磨拋光

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1. 引言

金剛石薄膜具有優(yōu)異的性能, 是刀具、模具材料的理想涂層, 隨著化學(xué)氣相沉積( CVD) 技術(shù)的發(fā)展, 運(yùn)用這種技術(shù)合成的金剛石薄膜

的生產(chǎn)成本顯著降低, 已經(jīng)具有商業(yè)化的應(yīng)用前景[1]。但常規(guī)金剛石薄膜的表面的取向、晶粒尺寸以及厚度都是不均勻的, 表面粗糙

度也較高, 一般可達(dá)幾微米, 影響了金剛石薄膜的許多應(yīng)用。例如, 金剛石薄膜涂層刀具和模具都要求有較高的表面光潔度,因而金剛

石的后期加工技術(shù)( 包括拋光、平整、金屬化等)變得越來越重要。對于金剛石薄膜的拋光而言, 由于其硬度高, 化學(xué)性能穩(wěn)定, 且厚

度較薄, 并且拋光過程中極易發(fā)生金剛石薄膜剝落, 因此金剛石薄膜的拋光問題已成為擴(kuò)大金剛石薄膜應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

近年來, 國內(nèi)外的學(xué)者通過大量的研究和試驗(yàn), 提出了許多新的金剛石薄膜的拋光方法, 包適化學(xué)輔助機(jī)械拋光、激光拋光、熱化學(xué)拋

光、離子束拋光、電火花拋光等[2-6]。這些方法基本上是利用了碳原子的擴(kuò)散與蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)、微切削、表面的石墨化等來實(shí)現(xiàn)金

剛石薄膜的拋光。由于磁性研磨的“ 磁刷”是柔性的, 非常適合內(nèi)孔的拋光[7]。本文提出了運(yùn)用磁性研磨拋光內(nèi)孔金剛石薄膜的新方

法, 并研究其拋光前后的膜表面形態(tài)、質(zhì)量以及性能, 探討磁性研磨金剛石薄膜的特點(diǎn)及效果。

2 .試驗(yàn)方法

2.1 磁性研磨的原理

如圖1 所示, 在磁極N 和S 之間形成了一個(gè)磁場。如果在磁場中填充一種既有磁性又有切削能力的磨料, 磨料將沿著磁力線緊密地、有

規(guī)則地排列起來, 形成刷子狀即所謂的“ 磁刷”, 并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力。當(dāng)工件置入這個(gè)磁場中, 此“ 磁刷”就會產(chǎn)生磁力

并以壓力的形式作用在工件表面上。當(dāng)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸運(yùn)動,磁力研磨刷和工件間就發(fā)生相對運(yùn)動,從而對工件內(nèi)孔表面進(jìn)行研磨

。磁性研磨過程中, 單顆磨粒在磁場作用力、磁場保持力和切向摩擦力的共同作用下, 使磨粒穩(wěn)定地保持在拋光區(qū)域中, 實(shí)現(xiàn)對工件表

面的研磨拋光。同時(shí)由于受磁場力的作用, 磨粒將自動向拋光區(qū)域匯集, 匯集于被拋光工件內(nèi)表面進(jìn)行研磨, 形成一個(gè)完整的拋光循環(huán)

過程。

2.2 磁性磨粒

磁性磨料采用氧化鋁( Al2O3) 、TiC 和鐵粉, 平均直徑D=80μm; 磨粒相的平均直徑: d1=5μm, d2=1. 2μm。加工間隙:1. 5 mm。磁

感應(yīng)強(qiáng)度: B=0.5T。平均研磨壓力在20~50 kPa。工件軸向震動頻率f = 0～20 Hz。工件軸向振幅A= 0～2 mm。工件轉(zhuǎn)速1140 r/min。

工件內(nèi)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T。磁極末端采用變截面設(shè)計(jì), 磁極和線圈采用DT4 電工鐵, 底板用DT2 電工鐵, 磁通方向磁極、芯鐵、底

板的截面面積分別為8 cm2、12.5 cm2、20cm2, 線圈采用φ1mm2的銅漆包線繞制6000 匝, 采用直流供電。最大輸出電壓為25 V, 最大

電流輸出為3A。

2.3 金剛石拉絲模具的制備

襯底采用市售的YG6 硬質(zhì)合金拉絲模, 尺寸規(guī)格30×21( 孔徑φ6 mm) , 沉積前首先對襯底進(jìn)行酸腐蝕去鈷、金剛石粉末研磨粗化和脫

碳還原等表面處理, 以保證金剛石涂層的質(zhì)量以及襯底與涂層間的附著力。涂層沉積采用熱絲CVD 法, 采用穿孔直拉熱絲CVD新方法, 

獲得耐磨、附著力強(qiáng)、涂層均勻的金剛石涂層拉絲模。它的特點(diǎn)是一根穿過模孔的鉭絲作為激勵(lì)源熱燈絲, 該熱絲用耐高溫彈簧拉直, 

并處于拉絲模孔的軸心位置, 使內(nèi)孔表面的溫度在整個(gè)沉積過程中保持基本均勻。為彌補(bǔ)單根熱絲功率的不足, 在熱絲和拉絲模內(nèi)孔表

面施加直流偏壓( 熱燈絲為負(fù)極, 50～150 V) 產(chǎn)生直流放電電流( 0.4～2.0A) , 整個(gè)內(nèi)孔成為等離子體空間, 加速了薄膜的成核和生

長。反應(yīng)氣體為氫氣和丙酮, 丙酮濃度為1%- 3%( 摩爾比) , 沉積時(shí)熱燈絲溫度約2200℃, 模孔表面溫度約800℃, 沉積時(shí)間4～5 h, 

涂層厚度5~10μm。涂層拉絲模安裝在磁性內(nèi)孔拋光裝置上進(jìn)行拋光,拋光時(shí)間為20 min, 將拋光前后的金剛石涂層拉絲模用線切割的方

法沿軸線方向切成相等的兩半, 然后用掃描電鏡觀察拋光效果, 用Talysurf6 表面粗糙度測量儀測量金剛石膜表面粗糙度, 用Raman 光

譜檢查薄膜質(zhì)量。

3 .試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 為內(nèi)孔金剛石涂層在磁性研磨拋光前后的表面形貌, 顯然拋光處理后的試樣變得較為光滑平整, 晶粒除去外端的尖角, 達(dá)到比較理

想的效果。金剛石薄膜表面粗糙度由工藝A 的Ra0.4543μm 下降到工藝B 的Ra 0.1078 μm。

圖3 為拋光處理后模具內(nèi)孔上不同位置處的金剛石薄膜的表面形貌, 從圖上可以看出金剛石薄膜都很光滑平整, 顆粒圓滑, 光潔度很高

。尤其是定徑帶和工作錐處。圖4 所示為不同位置的拉絲模內(nèi)孔金剛石薄膜的截面圖。從圖中可以看出各個(gè)位置處的金剛石薄膜厚度都

很均勻。

圖5 所示為拋光后模具內(nèi)孔不同位置處金剛石薄膜的Raman 譜圖。從圖中可以看出, 內(nèi)孔表面的金剛石薄膜均具有明顯的金剛石特征峰

, 其中工作錐處的金剛石薄膜質(zhì)量相對于其它位置的金剛石薄膜質(zhì)量更好, 除了1332 cm- 1 處的金剛石特征峰外, 無其它明顯的峰值, 

而在定徑帶以及出口錐處還含有一定的石墨峰, 可能是由于熱絲的位置太近或者太遠(yuǎn), 導(dǎo)致金剛石的質(zhì)量不是很純。從內(nèi)孔拋光后表面

上不同位置處的Raman 譜圖可以看出, 在內(nèi)孔表面上沉積的金剛石薄膜, 在拋光后整體質(zhì)量良好, 而且金剛石峰偏離標(biāo)準(zhǔn)峰1332 cm- 1 

處不多, 說明薄膜內(nèi)部應(yīng)力不大, 也可以較好地保證金剛石薄膜的附著力。

采用磁性研磨拋光后金剛石涂層銅桿拉絲模, 涂層表面的光潔度進(jìn)一步提高, 滿足了銅桿拉絲對模具內(nèi)孔表面光潔度的更高要求。涂層

拉絲模的工作壽命比硬質(zhì)合金提高8～10 倍, 單個(gè)模具產(chǎn)量可達(dá)3000 t, 拉絲質(zhì)量明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金拉絲模。

4.結(jié)論

利用磁性研磨拋光金剛石涂層表面, 可有效除去晶粒外端的尖角, 而且不會造成涂層的損傷, 不影響涂層附著力, 可以達(dá)到比較理想的

效果, 從而突破常規(guī)金剛石薄膜因表面粗糙、拋光難度大、對涂層拉拔模具無法滿足實(shí)際應(yīng)用需要的瓶頸, 對于CVD 金剛石涂層技術(shù)的

產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

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