تکنولوژی جدید الماس و کاربردهای آن در ابزارهای برشی (1)

مقدمه

برای سال های متمادی، شیمی دان ها در پی تبدیل فلزات پست به طلا بودند. شیمی دان های مدرن موفق به تبدیل گاز به الماس شدند، و شروع به رقابت برای توسعه ی محصولات با استفاده از تکنولوژی های جدید، شدند. شیفتگی الماس منجر به تهییج شدن محققین برای توسعه ی تکنولوژی های جدیدی شدند که بوسیله ی آنها فیلم های الماسی کریستالی را با استفاده از گازهای فشار پایین، تولید کردند و نه با اعمال فشار و دماهای بالا. فرایند تولید الماس در فشارهای پایین، امروزه به صورت تجاری موجود می باشد. این روش، یکی از روش های اساسی در تولید ابزارهای ساینده می باشد. در طی سال های اخیر، چندین شرکت مهم اعلام کرده اند که به صورت موفقیت آمیز ابزارهای برش الماسی را از طریق فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، تولید کرده اند. این ابزارهای الماسه برای ماشین کاری آلومینیوم، کامپوزیت ها و سایر فلزات آهنی و غیر آهنی، مناسب هستند.

پیش زمینه

تحقیقات بر روی سنتز الماس در حال پیشرفت می باشد. این سنتز از اوایل سده ی میلادی شروع شد. در این زمان، Smithson Tennant ثابت کرد که الماس یک شکل از کربن می باشد. تلاش های زیادی بوسیله ی محققین و مشارکت کننده های مختلفی انجام شده است تا بتواند گرافیت را به الماس تبدیل کند. مقاله های مروری زیادی در زمینه ی سنتز الماس انجام شده است. این مقاله توصیف خلاصه ای در مورد فیلم های الماسی تولید شده با CVD ارائه می دهد که در حقیقت در ابزارهای برشی، استفاده می شوند. رسوب دهی میکروویو پوشش های بسیار پایداری ایجاد می کند و بدون آسیب دیدن، در زمان های طولانی انجام می شود. این نوع از رسوب دهی برای ایجاد پوشش های الماسه بر روی ابزارهای برشی، استفاده می شود.

تولید الماس با CVD

روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) الماس بر اساس دو فاکتور است که هر دو نیازمند انرژی های بالا می باشند: 1) نمونه های کربنی باید فعال سازی شوند زیرا در فشارهای پایین، گرافیت از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است و بدون فعال سازی تنها گرافیت تشکیل می شود؛ 2) اتم هیدروژن باید به صورت انتخابی از گرافت حذف شود و ساختار الماس فعال سازی و پایدار شود.
مکانیزم رسوب دهی پیچیده است و به صورت کامل شناخته نشده است.
واکنش پایه در واقع تجزیه ی هیدروکربن هایی مانند متان و به صورت زیر می باشد:
CH_4 (g)→C(diamond)+2H_2 (g)
این فرایند ساده، در حقیقت یک واکنش پیچیده است که در آن، هیدروژن اتمی دارای نقش اصلی است. هیدروژن اتمی به صورت قابل توجهی فعال است و می تواند با نرخ های 20 برابر بیشتر، گرافیت را اچ کند. بنابراین، وقتی گرافیت و الماس با همدیگر رسوب می کنند، گرافیت به صورت ترجیحی حذف می شود در حالی که الماس باقی می ماند. هیدروژن در دماهای بالا (بالاتر از 2000 درجه ی سانتیگراد) تجزیه می شود و موجب تولید هیدروژن اتمی می شود. نرخ تجزیه در حقیقت تابعی از دما است و در دماهای بالاتر از 2000 درجه، سریعاً افزایش می یابد. این مورد با کاهش فشار، افزایش می یابد. به منظور تولید فیلم های الماسی با کیفیت بالا، مقادیر زیادی از هیدروژن با گازهای هیدروکربنی واکنش می دهد. این کار در پلاسما انجام می شود و موجب تشکیل فیلم الماسی می شود.

فرایندهای CVD برای ابزارهای برش الماسی

دو فرایند تولید الماس با استفاده از روش CVD برای تولید ابزارهای برش، وجود دارد.

روش پلاسمای میکروویو

یک پلاسمای میکروویو دارای دانسیته ی الکترونی و همچنین انرژی کافی برای متلاشی کردن گاز هیدروژن است. این تجزیه به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. گازها وارد سیستم می شود و از سری های برش عبور می کند. با این کار، پوشش الماسی بر روی سری ایجاد می شود. سری ها عموماً در بخش پایین پلاسما، پوشش دهی می شوند. بخش سری / زیرلایه برخی اوقات حرارت داده می شوند. این کار با استفاده از برهمکنش پلاسما و میکروویو و یا حرارت مقاومتی انجام می شود. با این سیستم تجزیه، الماسی با مرفولوژی و خواص متغیر ایجاد می شود. این خواص در حقیقت تابعی از زیرلایه، دما، نرخ گاز و شدت پلاسما در ناحیه ی رسوب دهی، می باشد. نرخ های رسوب دهی معمولاً پایین است (به طور نمونه وار در گستره ی 1 تا 10 میکرومتر بر ساعت است). رسوب دهی میکروویو پوشش های بسیار پایداری ایجاد می کند و بدون آسیب دیدن، در زمان های طولانی انجام می شود. این نوع از رسوب دهی برای ایجاد پوشش های الماسه بر روی ابزارهای برشی، استفاده می شود.

رسوب دهی پلاسما قوس DC

در رسوب دهی پلاسمای قوس DC ، یک قوس با شدت بالا بین دو الکترود و با استفاده از جریان DC تولید می شود. یک تخلیه ی پلاسمای قوس DC در شکل 2 نشان داده شده است. در تخلیه ی پلاسما، دما ممکن است به 5000 درجه ی سانتیگراد یا بیشتر، برسد. دماهای بسیار بالا در زمان تشکیل قوس، منجر به تجزیه ی کامل مولکول های هیدروژن می شود. از آنجایی که موجود بودن اتم های هیدروژن، یک المان کلیدی در تشکیل الماس با روش CVD است، سیستم تخلیه دارای مزیت نسبت به سایر سیستم هایی است که برای تولید مقادیر اندک اتم های هیدروژن، استفاده می شوند. این منبع فراوان هیدروژن اتمی و سرعت های بالای گاز موجب افزایش نرخ رسوب دهی می شود. این سرعت ها، تا سرعت 100 میکرومتر بر ساعت، می رسد. این نرخ رسوب دهی، یک تا دو برابر سرعت بدست آمده بوسیله ی فرایندهای رسوب دهی دیگر است. به دلیل نرخ های رشد بالا و پتانسیل رشد ناحیه ی وسیع در روش قوس DC، این روش برای تولید دیسک های خود نگهدارنده ی تشگیل شده از الماس مورد استفاده قرار می گیرد. ضخامت این دیسک ها می تواند تا 1 میلی متر و قطر آنها تا 100 میلی متر نیز می رسد. به طور نمونه وار برای ابزارهای برشی الماسه ای که با روش CVD تولید می شود، الماس دارای ضخامت 0.5 میلی متر می باشد و سری ابزار برشی از یک دیسک بزرگتر، بریده می شود. این کار با استفاده از لیزر، انجام می شود و فرایند پولیش، لبه گیری و سایش با استفاده از ابزارهای کاربیده انجام می شود.

خواص فیزیکی الماس

گرافیت، دوده و کربن بلک، دارای ترکیب شیمیایی مشابه الماس می باشند. به هر حال، این سه ماده و الماس، دارای ساختار کریستالی مختلفی هستند. گرفیت شامل لایه های متراکم از حلقه های آروماتیک 6 گوش از اتم های کربن می باشد. این حلقه ها به صورت مستحکمی به هم مرتبط شده اند و منجر به تشکیل ساختار صفحه ای شده اند. در بین صفحات مختلف گرافیت، نیروهای واندروالسی اثرگذار می باشند. این لایه ها می توانند بر روی هم بلغزند و از این رو، گرافیت ماده ای نرم است که می توان آن را به عنوان روان ساز، استفاده کرد. دوده و کربن بلک اشکال میکروکریستالی از گرافیت می باشند.

بیشتر بخوانید: الماس سنگ یک میلیارد ساله

شبکه ی کریستالوگرافی مربوط به الماس، شامل پیوندهایی کاملاً کوالانسی از کربن است که به صورت تتراهدرال و با فاصله ی یکنواخت از هم قرار دارند. تتراهدرال های موجود، از نوک به هم متصل می شوند و منجر به تشکیل شبکه ی کریستالی می شوند. ساختار الماس به دلیل خواص مهمی از جمله سختی بالا، مقاومت به سایش مطلوب، ضریب اصطکاک پایین، منحصربفرد می باشد. این مسئله موجب می شود تا بتوان بخش های الماسی را بر روی سری های ابزاری مختلف، اتصال داد.

خواص مکانیکی مربوط به فیلم های الماسی

خواص مربوط به فیلم های الماسی تولید شده با روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، که موجب می شود این ماده، به عنوان یک ماده ی مهم در سری های برش محسوب شود، عبارتست از: سختی، مقاومت به سایش، ویژگی های اصطکاکی مطلوب، رسانایی گرمایی بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین و خنثی بودن شیمیایی.
الماس طبیعی تک کریستال سختی 5700 تا 10400 کیلوگرم بر میلی متر مربع را در مقیاس نوپ دارد. الماس تولیدی از روش رسوب دهی شیمیایی از حالت بخار، دارای سختی در حدود 8000 تا 10000 کیلوگرم بر میلی متر مربع در مقیاس نوپ می باشد. یک تعداد زیاد از این فیلم های الماسی دارای مقادیری کربن با اتصال sp^2 می باشند، مخصوصاً در نواحی مرز دانه ای. وجود این اتصال گرافیتی منجر به افت سختی این فیلم های الماسی نسبت به کریستال های طبیعی، می شود.
مقاومت به سایش مشاهده شده برای الماس رسوب دهی شده از حالت بخار (خود نگهدارنده) و فیلم های الماسی اعمال شده به صورت پوشش، از مقاومت به سایش مربوط به کاربید تنگستن بیشتر است. الماس CVD همچنین مقاومت به سایشی دو تا 10 برابر بیشتر از الماس پلی کریستال زینتر شده در دماها و فشار بالا (PCD) دارد.
وقتی الماس تولید شده با روش CVD پولیش داده می شود، این ماده خواص اصطکاکی معادل پلیمرهای فلئوردار در دماهای معمولی را دارند. این اعتقاد وجود دارد که خواص سایشی الماس مشابهت زیادی با خواص هیدروژن دارد. لایه ی اتمی سطحی تولید شده از هیدروکربن ها، دارای اصطکاک بسیار پایین و چسبندگی پایینی دارند. این سطوح با اصطکاک پایین و خنثی، منجر به تولید ابزارهای برشی می شوند که عملکرد آنها در دماهای پایین به خوبی نمایان است و ابزار هیچ سایشی متحمل نمی شود. این ماده برای کاربردهای غیر آهنی و کامپوزیتی، مطلوب می باشند.
رسانایی گرمایی مربوط به الماس در بین همه ی مواد، بیشتر است. الماس رسوب دهی شده شیمیایی از فاز بخار، دارای مقادیر رسانایی گرمایی 8 تا 20 وات بر سانتیمتر بر کلوین می باشد. این مقدار برای الماس طبیعی تک کریستال در حدود 22 وات بر سانتیمتر بر کلوین است. الماس طبیعی گونه ای است که به صورت مؤثر عاری از نیتروژن است و از این رو، خواص نوری و گرمایی بهبود یافته ای دارد. پس از الماس، نقره قرار دارد. رسانایی گرمایی این ماده 4.29 وات بر سانتیمتر بر کلوین است. رسانایی گرمایی بالای این ماده منجر به تولید ابزارهای برشی می شود که می توانند حرارت ایجاد شده را از لبه ی برشی انتقال دهند به نحوی که عمر مفید قطعه، افزایش می یابد و بدین صورت میزان تخریب حرارتی و مشکلات ایجاد شده در قطعه ی کاری، حداقل، است. الماس همچنین دارای حرارت ویژه ی پایینی است و از این رو، این ماده حرارت ایجاد شده را به خوبی به زیرلایه انتقال می دهد.
الماس دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. درصد انبساط گرمایی این ماده در دماهای محیط و تا دمای 750 درجه ی سانتیگراد، در حدود 0.2 % است. مقدار این ضریب انبساط، غیر خطی است و ضریب در واقع با افزایش دما، افزایش قابل توجهی پیدا می کند. بنابراین، گستره ی عملیات مورد نظر، باید به صورت متناسبی تنظیم شود. به منظور بدست آوردن خواص مناسب در الماس های تولیدی از روش CVD، تطابق ضریب انبساط حرارتی مربوط به زیرلایه و الماس، یک مسئله ی کلیدی محسوب می شود.
نرخ انبساط حرارتی مربوطه زمانی مهم می باشد که فیلم الماسی به صورت مستقیم بر روی زیرلایه، پوشش داده شود. فرایند رسوب دهی به صورت نمونه وار بین دمای 700 تا 1000 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود. این دمای بالا منجر به محدود شدن ماده ای که رسوب دهی بر روی آن، انجام می شود. مواد مهندسی که الماس می تواند بر روی آن، جوانه زنی و رشد کند، سیلیکون نیترید، سیلیکون کاربید و تنگستن کاربید با مقادیر کبالت کمتر از 6 % است. سیلیکون نیترید دارای تطابق نزدیکی در ضریب انبساط حرارتی است و تطابق شیمیایی بهتری برای جوانه زنی الماس و رشد آن، دارد. در پوشش دهی الماس بر روی سری های تنگستن کاربیدی، مشکلات بیشتری وجود دارد. علت این مسئله، کبالتی است که در مرزدانه ها وجود دارد و نقش کمک ذوب داشته است. کبالت در سطح ابزار موجب تشکیل ترجیحی گرافیت به جای الماس می شود. این مسئله منجر به تضعیف چسبندگی بر روی پوشش و همچنین خود الماس می شود.
عدم تطابق در ضریب انبساط گرمایی یکی از محدودیت های اساسی در توسعه ی تجاری فیلم های الماسی تولید شده از روش CVD می باشد.
یکی دیگر از فاکتورهای مهم در کارایی ابزار برش، پایداری شیمیایی و گرمایی مربوط به ابزار می باشد. الماس یکی از خنثی ترین مواد دنیاست. به هر حال، این ماده بدون روش های سرمایشی، نمی تواند در ماشین کاری مواد آهنی، نیکل، و آلیاژهای بر پایه ی تیتانیم مورد استفاده قرار گیرند. علت این مسئله، فعالیت و سایش شیمیایی آن در فشارها و دماهای تماسی بالا می باشد که در طی فرایند ماشین کاری، ایجاد می شود. به عبارت دیگر، برای ماشین کاری آلومینیوم و سایر آلیاژهای غیر فلزی داکتیل، پلاستیک ها و مواد کامپوزیتی ساینده، الماس همتا ندارد.
محیط سایشی در ابزار برشی متحمل دماهای بالاست. یک دمای بالاتر از 1000 درجه ی سانتیگراد، می تواند در طی تراشکاری پیوسته در سطح تماس، ایجاد شود. این دما ممکن است در زمانی در محدوده ی میکروثانیه تلورانس دمایی بین 700 تا 200 درجه ی سانتیگراد را تجربه کند. نیروی شدید در سری ابزار برشی، منجر به فشارهای تماسی در حد 200 تا 500 کیلوگرم بر میلی متر مربع، شود. بنابراین، ابزارهای الماسه ی تولید شده از روش CVD باید استحکام بالک و تافنس مناسبی داشته باشد تا بدین صورت بتوان از آن برای تولید بخش های خود نگهدار، استفاده شود. این مواد باید سختی دما بالای بیشتری نسبت به زیرلایه ها و قطعه ی کاری، داشته باشند. همچنین پایداری شیمیایی دما بالا، چسبندگی خوب به زیرلایه و تافنس میکروترکی خوب، از جمله سایر ویژگی های این پوشش ها می باشد.
پایداری شیمیایی مربوط به الماس های رسوب داده شده با روش CVD نسبت به مواد الماسه ی پلی کریستال تولید شده در فشارهای بالا، بهتر است. در حقیقت الماس پلی کریستال در دماهای 600 درجه ی سانتیگراد به بالا، شروع به اکسید شدن می کند و در دمای 700 درجه ی سانتیگراد، به سرعت در محیط هوا و یا خلأ تخریب می شود. علت این مسئله وجود فاز مرزدانه ای کبالت است که به عنوان کمک زینتر، مورد استفاده قرار می گیرد. الماس تولید شده با روش CVD در محیط هوا و در دمای 700 درجه ی سانتیگراد، شروع به اکسید شدن می کند. اما در خلأ و در اتمسفر خنثی، این ماده تا 1200 درجه ی سانتیگراد، پایدار است. این مسئله در حقیقت منجر به افزایش پایداری شیمیایی و گرمایی این ماده می شود که در حقیقت کارایی این ماده را بسیار بهبود می دهد. به دلیل این خاصیت، این ماده می تواند در محیط های خورنده و یا در دماهای بالا، استفاده شود.
ویژگی های مربوط به پوشش های فیلمی الماسی، که در واقع چسبندگی مناسبی به زیرلایه دارند و تافنس میکروشکست آنها خوب است، عملکردهای قوی ایجاد شده به دلیل ضخامت، میکروساختار و شرایط رسوب دهی می باشد. شرایط رسوب دهی باید بهینه سازی شود تا بدین صورت فیلم الماسی با چسبندگی خوب، ایجاد شود. این مسئله در حقیقت تابعی از تنش های غیر ذاتی پایین و خواص مکانیکی و اتصال شیمیایی با سطح زیرلایه، می باشد. ضخامت پوشش باید همچنین بهینه سازی شود. اگر لایه ضخامت بالایی داشته باشد، پوشش الماسی رفتار تردی دارد که علت آن تنش های افزایش یافته است که می تواند بر روی میکروشکست ها و جداشدن اتصال با زیرلایه، مؤثر باشد. تنش های باقیمانده در پوشش همچنین بر روی میکروسختی فیلم، مؤثر است. این مسئله به این دلیل مهم می باشد که در دماهای برش بالا، بیشتر مواد میکروسختی خود را از دست می دهند.
میکروسختی دما بالا در دو حالت از سایش ابزار مهم می باشد. سایش ابزار در ناحیه ی حفره ای موجود در سطح شیار ابزار و در دماهای بالا، به خنثی بودن شیمیایی مربوط به پوشش و میکروسختی در این دماها، وابسته می باشد. مقاومت به سایش مالشی در دماهای برشکاری، به صورت مستقیم با میکروسختی سطح پهلویی ابزار وابسته می باشد. در حقیقت خواص مکانیکی این پوشش ها، باید بر طبق میکروساختار (اندازه ی دانه، کریستالینیتی، عیوب و ...) تعیین شوند. این موارد تابعی از پارامترهای فرآیند پوشش دهی است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney