表面粗糙度是影響金剛石薄膜廣泛應(yīng)用的主要因素, 選擇一種合適的拋光方式可以大幅度降低表面粗糙度, 以加速其商業(yè)化應(yīng)用的進程。文中針對內(nèi)孔金剛石薄膜, 提出了一種新的拋光方法———磁性研磨拋光。      

       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。

       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, 提出了許多新的金剛石薄膜的拋光方法, 包適化學(xué)輔助機械拋光、激光拋光、熱化學(xué)拋光、離子束拋光、電火花拋光等。這些方法基本上是利用了碳原子的擴散與蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)、微切削、表面的石墨化等來實現(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。本文提出了運用磁性研磨拋光內(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及效果。

磁性研磨原理

       如圖1 所示, 在磁極N 和S 之間形成了一個磁場。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)工件進行旋轉(zhuǎn)運動和軸運動,磁力研磨刷和工件間就發(fā)生相對運動,從而對工件內(nèi)孔表面進行研磨。

       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, 實現(xiàn)對工件表面的研磨拋光。

       同時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)表面進行研磨, 形成一個完整的拋光循環(huán)過程。

       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位置處的金剛石薄膜厚度都很均勻。

       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, 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。

       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。