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元素六 | 利用PCD刀具加工脆性材料以及激光技术

2020-03-27浏览量:4292

信息导读:

  Element Six 隶属于“钻石很久远,一颗永流传”大名鼎鼎De Beers 集团公司,主要负责设计、开发和生产合成金刚石和其他超级材料,在全球运营,并在中国、德国、爱尔兰、南非、英国和美国等地设有生产基地。

  Element Six HPHT 超级材料解决方案在工业中的应用包括切割、研磨、钻孔、剪切和抛光等,广泛用于汽车及消费品电子、采矿与道路组件以及石油天然气勘探等领域。Element Six 人工合成CVD金刚石广泛用于热管理,声学,光学、水处理、半导体和传感器,量子计算等领域。

  《利用PCD刀具加工脆性材料以及激光技术》

  一、 目前合成金刚石主要有2种方法:

  (一)高温高压法(HPHT)

  这种方法模拟了金刚石自然形成的条件

  • 高压是由于液压压力集中在一个小面积上而产生的

  • 在如此高的温度和压力下,碳原子溶解在铁、钴或镍等熔融金属中,然后转化成微米大小的人造金刚石

  • 这些材料可以通过高温高压烧结成一种叫做PCD的复合材料,这种复合材料广泛应用于各种工业应用,如机械加工、切割和石油天然气钻探

  (二) 化学气相沉积(CVD)• 微波能用于产生高温等离子体的氢气和甲烷

  • 合成金刚石层从碳氢化合物等离子体沉淀到冷却的基底上

  高纯度金刚石、大面积晶圆沉积、掺杂金刚石

  金刚石,作为新材料的代表,众多亮点于一身,引领着信息时代的发展,在环保医疗、功能器件、量子领域、光学窗口等多个高新技术领域都有巨大的应用潜力。

    二、脆性材料加工

  在用户现有设备基础上,集PCD优异材料特性,科学的槽型设计,精密的激光制作集于一体,为硬脆性材料高效精密加工提供了可靠的解决方案。主要加工以陶瓷、玻璃、蓝宝石等为代表的硬度高、脆性大的材料。可实现在材料塑形域加工 , 具有加工效率高,切削力小、刀具寿命长、加工表面质量高、残余应力小,可避免亚表面损伤等优点。

  三、试验验证及案例分析

  问题一:加工PCD,用什么激光合适?

  针对PCD加工,目前主要使用1064nm波长的IR红外激光, 532nm波长的绿光,纳秒脉冲激光(飞秒脉冲激光会越来越普遍,伴随着对激光成本的控制)

   问题二:加工PCD用哪种波长的合适?

  选用激光烧蚀的方式去除材料,需要将激光波长和材料吸收波长匹配以获得最佳去除率。但是,这种最佳吸收波长的短波激光造价太高, 综合考虑,一般采用较容易获得的1064nm波长的IR红外激光,532nm波长的绿光。

   问题三:hpht与cvd,在切削应用中的选择有什么需要注意的?

  首先这两种技术可以生产四种产品类别的金刚石材料:HPHT 单晶,HPHT聚晶,CVD单晶,CVD聚晶,这些材料因其不同的材料特性和尺寸形式,从用途来说就有很大差异。

  单晶金刚石:有晶面取向,适合超精密加工(纳米级公差)

  HPHT杂质含量高(N&催化剂,位错多),硬度较CVD单晶稍低,韧性低,适合金工,木工,修整,拉丝,贵金属加工等,可用边长达10mm

  CVD杂质含量低(N少量,位错低),硬度高,韧性好,导热率极高, 适合贵金属加工/精密车削,可用边长达4mm

  聚晶金刚石:无晶面取向,适合精密加工(微米级公差)

  HPHT,含结合剂钴,硬度,导热性较CVD聚晶低,韧性好,用途最为广泛,金工,木工;CVD杂质含量低,有向生长型,一般用于热管理和光学应用,也可用于金工,木工和修整。

    问题四:什么时候讲一下PCBN?

  如果有需要,后面可以安排。

  问题五:有适用于蓝宝石抛光的pcd型号推荐吗?

  蓝宝石和玻璃一样也是先磨削再抛光。目前也是主要用砂轮磨削。PCD可以替代。但是刀具设计和玻璃有所不同,这个要具体验证。原理上和PCD加工玻璃一样,要看工件特征和对表面质量的要求。

   问题六:CMX850的金刚石含量是80%多,这个含量是质量百分比还是体积百分比

  体积百分比

   问题七:生产培育钻石也会有高温高压法和CVD法,和制备刀具的有什么区别

  首先LGD-合成钻石都是单晶,而刀具材料既有单晶也有聚晶。

  另外,因为两种用途的关注点不一样,所以对产品特性要求不一样,具体的工艺会有区别。

  例如:HPHT(高温高压法)Mono单晶金刚石(一般黄色),可用于切割修整工具,拉丝模模芯等,要求硬度和一定的韧性

  HPHT-LGD, 对颜色,净度,大小有要求,所以从工艺上会有区别,比如增加一个先把石墨转为钻石粉的步骤(利于获得大尺寸钻石),增加氮吸收剂(利于去除黄色),后期也可能会有热/压/辐照等处理步骤。

  但是不管是用作珠宝钻石还是工具,所使用的HPHT,CVD基本原理都是一样的。

  问题八:CVD的焊接性能怎样啊

  焊接性能或者说焊接强度取决于:焊料,基材,焊接工艺,参数

  一般来说,CVD适合的焊接条件:Ag-Cu活性焊料,真空焊/氩气保护焊, 温度要高于850℃已利于形成TiC的结合层,单晶CVD 比聚晶CVD更耐高温。

  问题九:Cvd用激光加工好还是磨的好

  激光用于去除较大的CVD余量,其余的则倾向于磨削,但随着激光烧蚀技术的发展,这种情况可能会改变

    问题十:CVD金刚石做刀具材料,如何加工

  激光和磨削,激光介绍很多了,这里简单说一下磨削需要注意的点。

  和HPHT类似,CVD金刚石分也分聚晶和单晶两种。聚晶金刚石各向同性比较好加工,而单晶金刚石属于各向异性,在磨削时有易加工面和难加工面之分(激光烧蚀没有区别)

  所以磨削是要区分100/110/111 面,一般选用金属结合剂砂轮。

   问题十一:粗粒度与中粒度在铣削玻璃时,寿命有明显区别吗?是不是粗粒度302的更好?刀具的刃型检测主要用什么类型的显微镜

  CTM302的寿命更好,但是韧性不好,在切削力不稳定或者太大的情况下,容易崩刃影响刀具寿命。CMX850的表面效果是最好,但是寿命在相同工况下不如CTM302。目前还测试过5um的Planar,表面效果和刀具寿命比较合适。10um的CTB010综合性能可能会更好,有待验证测试。

  刀具刃型检测使用专用刀具检测仪,例如Zoller

  问题十二:现在国内有可以加工PCD刀具的激光设备厂家吗

  牧激

  问题十三:老师后面要不要也把聚晶这块讲了呢

  如果有需要, 没问题。

  问题十四:刚才讲的脆性材料可以用MCD加工吗?

  可以,但是成本不受控。

  问题十五:如何加工材料:铝基碳化硅 含硅量60%?

  金刚石很适合这种MMC(金属基辅材)的加工,和其他材料相比寿命可达几十倍的提升。我们在课程中讲的三种不同制造方法的刀具磨损对比时,用的工件材料就是AMC225CA(40%SiC)。

  因为大量SiC的存在,这种材料很硬,所以相应的刀具材料越硬越好(尤其是车削加工)。

  车削时按照刀具Vb磨损速度:MCC单晶<PC.CVD聚晶CVD<PCD(CTM302) style="BOX-SIZING: border-box" p="" 聚晶hpht<="" 聚晶hpht

  钻削,铣削选择粗颗粒PCD(CTM302),若发生甭刃,可调整为中等粒度CTB010。

来源 Carbontech

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