武文斌,王帥強

(河南工業(yè)大學機電工程學院,河南 鄭州 450007)

金剛石膜片硬度高、厚度薄、容易碎,采用機械等接觸式拋光法較困難,而采用非接觸的柔性拋光技術(shù)有很大的市場潛力。目前關(guān)于金剛石膜片柔性拋光的研究僅限于激光方面[1～4],而關(guān)于等離子體弧柔性拋光的研究尚沒有查閱到相關(guān)的文獻,具有低成本的等離子體弧拋光加工有較大的優(yōu)勢,其研究的意義非常顯著。本文提出了利用等離子體弧柔性拋光金剛石膜片的新方法,并通過實驗對金剛石膜片進行掃描拋光,達到了預期的效果。

1 試驗條件與方法

試驗采用LHN160-W型等離子體弧氬弧焊接設(shè)備,拋光實驗臺和夾具;試件材料采用CVD金剛石膜片,膜厚分別為:0.5,0.8mm。測量儀器分別為:Talysurf5P_120型表面粗糙度儀,在試驗中用來測定拋光前后金剛石膜片的表面粗糙度;蔡司(ZEISS)公司生產(chǎn)的正立和體視顯微鏡,Axio Imager A1m為研究級正立金相顯微鏡,在試驗中用于觀察金剛石膜片拋光前后的表面形貌,最大可放大1000倍;Stemi 2000-C為研究級體視顯微鏡,用于觀測金剛石膜片表面立體形貌,其最大放大倍數(shù)為50倍。

弧電壓30 V,弧電流分別選取55,60,65,75 A進行掃描,掃描速度分別為0.42,0.75,1.2mm/s,弧柱直徑為5mm,懸距為2mm,氬氣流量為5 L/min,氬氣壓力為1.5MPa,掃描次數(shù)為1次,入射角度為 90°。

2 實驗結(jié)果與分析

(1)氧化。當電流 I=50 A時,掃描過的膜片表面顏色如圖1所示?？梢钥闯?掃描區(qū)(右邊)的晶粒已基本失去光澤,表面被氧化,而未被掃描的表面則光亮如初[5]。

(2)金剛石的石墨化。當弧電流增大到60 A,其他參數(shù)不變時,掃描0.5mm厚的膜表面一次后獲得的局部放大表面形貌見圖2。從圖中可明顯看到有團絮狀石墨的出現(xiàn),當金剛石膜表面溫度達到1200℃左右時,就會在其表面產(chǎn)生石墨。石墨化的溫度與金剛石膜自身的質(zhì)量、雜質(zhì)含量及其環(huán)境條件等因素有關(guān)[6]。

(3)石墨的氧化和濺射。在拋光的過程中,發(fā)現(xiàn)石墨出現(xiàn)的表面在被弧柱掃描過時,伴有一定的濺射現(xiàn)象。我們認為這是石墨的濺射,因此時的表面只有石墨附著,且石墨質(zhì)地較為疏松,在吸收等離子體弧的能量后很容易向四周濺射。

(4)熔化。在試驗中,當弧電流達到75 A,掃描速度為0.75mm/s,懸距為2mm時,可觀測到金剛石膜(0.5mm)表面部分晶粒熔化(圖3)。從圖上可看出,熔化并冷卻凝固后的晶粒成丘陵狀。在熔化過程中,晶粒處于液態(tài)時,有表面曲率半徑較大處向低凹處流動的痕跡。這種熔化和流動可削減晶粒的尖峰,使膜表面低谷處得到填平,從而降低峰與谷之間的微觀高度差,降低了膜表面的表面粗糙度值。

綜上分析可知,在等離子體弧加熱拋光金剛石膜片的過程中,伴隨著膜片表面溫度的升高,金剛石表面將發(fā)生氧化、石墨化、石墨氧化和濺射、金剛石熔化等一系列反應(yīng)。通過這樣一個過程,達到降低表面粗糙度值的目的。

3 弧電流對金剛石膜表面粗糙度的影響

表1是試驗所測Ra數(shù)值。樣品厚度為0.8mm,面積為2mm×5mm和2mm×8mm,v=0.75mm/s,懸距h=2mm,弧柱垂直入射膜片表面,掃描次數(shù)為1次,電流分別從50～65 A。圖4為表面輪廓圖。

表1 弧電流掃描試驗 Ra測量值

從表1的數(shù)據(jù)可看到,在50 A時,由于弧柱的能量密度不足以使金剛石達到發(fā)生化學變化的溫度,故膜表面粗糙度沒有多少變化。當電流為55 A時,Ra值開始有所增大,輪廓圖上顯示峰谷有所加深,這時的表面形貌從圖5可看出晶粒表面只是開始變暗,但形狀變化不大。這一階段主要發(fā)生了氧化反應(yīng),晶界被破壞,導致膜表面粗糙度值略有增大,同時晶粒被刻蝕而失去光澤。隨著電流從60 A增大到65 A,Ra值開始減小,從輪廓圖上也可直觀地看出膜片表面峰高和谷深都在減小。圖5也顯示,60 A時的晶粒比65 A時的突起度大,周圍比后者顯得模糊,這說明其表面粗糙度值有一定的降低,但不明顯。而后者相對而言,所獲得的表面形貌各部分較為清晰,基本沒有了峰尖和楞角,表面粗糙度值降低。

這主要是因為電流的增大使單位時間內(nèi)晶粒峰部吸收到更多的能量,從而使其石墨化的量增加。隨著溫度的提高,表面出現(xiàn)了熔化和流動現(xiàn)象,降低了峰與谷之間的微觀高度差,使膜表面粗糙度值得以降低。在其他參數(shù)不變時,弧電流增大,等離子體弧的能量密度變大,從而使膜表面能吸收到更多的能量,導致更多的石墨出現(xiàn)和熔化加劇,去除和拋光效果明顯。但弧電流過小或過大都不利于表面粗糙度值的降低。過小不能去除金剛石膜材料,或只能去除少量的金剛石膜材料,不能充分削平突起的尖峰;過大會導致金剛石膜片表面升溫太快,以致于來不及石墨化或產(chǎn)生了少量的石墨便因溫度驟升而發(fā)生熔化、汽化、蒸發(fā)等過程,導致材料去除量大,難以進行精度控制。

4 結(jié)論

(1)對于0.5mm和0.8mm厚度的金剛石膜片,弧電流為約60 A,掃描速度為約 0.75mm/s,懸距為2mm,氬氣流量為5 L/min,弧柱垂直于膜片表面入射時,可觀察到膜片表面有石墨出現(xiàn)。

(2)晶粒熔化也可導致膜片表面粗糙度值降低,由于熔化晶粒的流動作用可獲得較光滑的表面。它主要是通過熔化晶粒的流動作用和等離子體弧的吹力,來降低峰谷之間的高度差和不平度。

(3)膜片的表面粗糙度值隨著弧電流的增大而降低,隨著掃描速度的減小而降低。對于一定質(zhì)量和幾何形狀的金剛石膜,需要最佳拋光工藝參數(shù)的組合。

等離子體弧可進行金剛石膜的拋光。拋光是多種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果,熔點以下主要是氧化,石墨化、石墨氧化和濺射,且石墨化是關(guān)鍵因素;熔點以上則是熔化、流動、爆炸拋出或弧柱吹力的作用。該方法操作簡便,設(shè)備運行和維護成本低,通過深入研究有望獲得理想的拋光效率而得到推廣應(yīng)用。

[1] 吳振輝,馬志斌,譚必松,等.CVD金剛石膜的拋光研究進展[J].硬質(zhì)合金,2008,25(3):192-196.

[2] 顧長志,金曾孫,王玉光,等.激光修飾金剛石膜的表面拋光技術(shù)[J].科學通報,1997,42(6):661-664.

[3] 船本宏辛.金剛石膜在熱沉方面的應(yīng)用[J].精細加工技術(shù),1990(2):110-115.

[4] 張崢,霍曉.CVD金剛石薄膜拋光技術(shù)的研究進展[J].真空科學與技術(shù),2000,20(4):270-273.

[5] 劉敬明,黃天斌,呂反修,等.金剛石膜氧化行為的TGA分析[J].金屬熱處理報,2000,21(4):1-5.

[6] 季國順,張永康.激光拋光化學氣相沉積金剛石膜[J].激光技術(shù),2003,27(2):65-69.