Transcript ПРИМЕНЕНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК 应用类金刚石碳薄膜

Современные технологии металлообработки в Физико-техническом
институте НАН Беларуси
А.И.Гордиенко, И.Л.Поболь
白俄罗斯国家科学院物理研究所的现代金属加工工艺
A.Y.戈尔季延科，Y.L.波博利
220141，白俄罗斯，明斯克市，库普列维奇大街10号
电话/传真：00375-17-263 76 93
e-mail: [email protected]
ул. Купревича, 10
220141 Минск
Тел./ факс: 263 76 93
e-mail: [email protected]
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ упрочнение, сварка, резка
激光技术 – 硬化处理、焊接、切割
Точная резка металлов и неметаллических
материалов по любому, заданному программой
контуру, с точностью до 0,2 мм:
сталь толщиной до 5 мм (в том числе с
покрытиями)
пластики до 20 мм
дерево, фанеру, ДСП до 30 мм
кожу, текстиль и др. (в том числе пакетная
резка)
Габариты вырезаемого изделия – до 1,5 х 2,0 m
根据任何规定的外型进行精确切割金属和非金属材料，
精度达0.2毫米：
钢材厚度可达5毫米（包括涂层）
塑料厚度可达20毫米
木材、胶合板、刨花板厚度可达30毫米
皮革、纺织品及其它。（包括批量切割）
切割制品的尺寸可达 1.5 х 2.0 m
2
ИОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
离子束技术








•
•
•
•
•
•
•
•
экологическая чистота
простота управления и возможность автоматизации процесса
высокая воспроизводимость результатов
низкая температура процесса
высокая производительность
неизменность размеров и микротопографии поверхности
возможность локальной обработки
детали со сложным рельефом поверхности
清洁环保
易于管理且过程可自动化
结果高度可重复性
低温过程
高产量
尺寸及表面微地形稳定不变性
компактность и невысокая стоимость оборудования
可局部加工
энергия легирующих ионов – 1 – 3 кэВ
零件具有复杂表面形状
плотность ионного тока – 1-10 мА/см2
температуры обработки – 500-600 К
стоимость детали повышается на 10-15 %
глубина модифицированного слоя до 150 мкм
высокая износо- и коррозионная стойкость
设备配置紧凑且价格不高
合金离子能量 – 1 – 3千电子伏特
离子流电流密度 – 1-10 毫安/平方厘米
加工温度 – 500-600 K
零件成本增加10-15 %
改性层深度可达150微米
高耐磨性和耐腐蚀性
3
Участок металлизации рулонных материалов на полимерной и бумажной
основах
聚酯基和纸基卷材金属喷涂工段
Производительность при односменной работе, т/месяц
Максимальная ширина обрабатываемой пленки, мм
Диаметр рулона пленки, мм
Толщина обрабатываемых материалов, мкм
Линейная скорость перемотки, м/с
单班工作产能，吨/月
最大加工薄膜宽度，毫米
薄膜卷材直径，毫米
加工材料的厚度，微米
再卷的线速度，米/秒
до 20
1050
400
15 - 300
1-10
可达20吨
1050
400
15 - 300
1-10
4
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ сварка, пайка, упрочнение
电子束技术 - 焊接、钎焊、硬化处理
Основаны на обработке материала концентрированным источником энергии. Кинетическая
энергия электронов, сфокусированных в луч диаметром 0,1-1 мм, выделяется при их
торможении. Электронный луч с мощностью 1-15 кВт обеспечивает сварку за один проход
металлов
толщиной 1-50 мм с минимальными деформациями, максимальными
механическими характеристиками и прочностью .
以用集中能源加工材料为基础。聚焦成束的直径为0.1-1毫米的电子的
动能在其受阻滞时释放。携带功率为1-15千瓦特的电子束可保证单焊
道焊接厚度为1-50毫米的具有最低形变、最大机械性能和强度的金属 .
CВАРКА焊接
Сталь
20ХН3А,
глубина
15 мм
Инструмент из алмазнотвердосплавных пластин и
КНБ
由金刚石硬质合金片和立方氮化
硼片制成的工具
钢20ХН3А,
深度
15毫米
5
ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛС
电子束焊接优点
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Повышение производительности труда до 800%
提高劳动生产率可达800%
Экономия материалов до 30%
材料节约可达30%
Уменьшение монтажного времени на 40-80%
维修时间减少40—80%
Повышение скорости сварки более чем на 100%
焊接速度提高超过100%
Повышение экономичности защиты до 35 раз
防护成本降低达35倍
Снижение количества деталей в узле
工件零部件数量降低
---------------------------------------------------------------Cрок окупаемости оборудования - 1 – 1,5 года
设备成本回收期 – 1-1.5年
ЭЛС
ДУГОВАЯ СВАРКА
q ~ 103 – 104 Вт/см2
Глубина S ~ 0,3-5 мм
Глубина / ширина ~ 1 : 1
Энергия на единицу
длины ~ 5-10 у.е.
弧焊
q〜103 - 104 W/cm2
深度S〜0.3-5毫米
深度/宽度〜1：1
每长度单位能源花费〜5-10美元
Электродуговая сварка
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА
q ~ 105– 106 Вт/см2
Глубина S ~ 0,1-400 мм
Глубина / ширина ~ 5 : 1 – 50 : 1
Энергия на единицу
длины - 1 у.е.
电子束焊接
q〜105 - 106 W/cm2
深度的S〜0.1-400毫米
深度/宽度〜5：1 - 50：1
每长度单位能源花费〜1美元
ПРИМЕНЕНИЕ НА УП «ММЗ» ИНСТРУМЕНТА С ПОЛИКРИСТАЛЛИ-ЧЕСКИМИ
АЛМАЗАМИ (ПКА) ДЛЯ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВА АК12М2МгН (АЛ25)
多晶金刚石工具在白俄罗斯明斯克发动机厂用于锋刃加工铝合金АК12М2МгН（AL25）
Резцы с режущей частью из ПКА «Compax» и «Syndite»
изготовлены электронно-лучевой пайкой. Испытания
резцов при окончательной обработке пальцевого отверстия
и канавок в поршне 260-1004021-В (АЛ25, ГОСТ 1583-93,
90НВ min). Обработка по режимам заменяемых резцов с из
ВК6 при S=260 мм/мин; n=2600 об/мин; V=310 м/мин.
由«Compax»和«Syndite»以电子束钎焊方式生产的多晶金刚
石工具制成的切削刀具。在活塞260-1004021-В（AL25,国
标1583-93, 90НВ min）的指孔和沟槽最终处理情况下进行
的切削试验。按ВК6刀具替换流程进行加工，加工条件为
S=260毫米/分钟，n=2600转/分钟，V=310米/分钟。
Разброс показаний размера Ø
0.009
мм не превышал 0,004 мм, средняя шероховатость
обработанной поверхности – Ra 0,44 мкм (по чертежу
0, 003 – Ra
0,63 мкм). Размерная стойкость резцов до переточки - в
среднем 58000 деталей, т.е. более, чем в 20-25 раз выше,
чем стойкость резцов с пластинами из ВК6
Ø尺寸指标偏差
mm不超过0.004毫米，加工表面平均粗糙度 – Ra 0.44微米
（根据图纸 - Ra 0.63微米）。重新刃磨前的切割尺寸稳定
性 – 平均58000个零件，超过ВК6板片切割稳定性20-25倍。
38
КАТОДНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ阴极弧等离子体源
Разработан, запатентован и внедрен на СЗОС (г. Сморгонь) высокопроизводительный технологический
импульсный катодно-дуговой источник плазмы (патенты РФ № 826761, № 1061686, №1119967, № 1268082,
№ 1291009, № 1367820, 1994 г.)
在白俄罗斯国家统一企业СЗОС（白俄罗斯斯莫尔贡市）进行设计、专利注册和开发高新技术脉冲阴极弧等
离子体源（俄罗斯联邦专利№826761、№ 1061686、№1119967、№ 1268082、№ 1291009、№ 1367820, 1994
年。)
Технические характеристики источника:
Потребляемая мощность, кВт
Емкость батареи конденсаторов, мкФ
2000...5000
Напряжение разряда, В
200...400
Ток разряда в импульсе, A
500...5000
Длительность импульса разряда, мк с
200...1500
Частота следования импульсов, Гц
0.5...20
Диаметр катода, мм
Максимальна скорость осаждения в импульсе
на расстоянии 30 cм, мкм/мин
Ti
АПП углерода
Вес, кг
Габаритные размеры, cм
203040
消耗功率，千瓦
2.5
电容器电池容量, 微法拉 2000...5000
电荷电压，伏特
200...400
脉冲电荷电流，安培 500...5000
脉冲电荷量，微库仑 200...1500
脉冲频率，赫兹
0.5... 20
阴极直径，毫米
30
脉冲距离30cm，
最大硬化速度 微米/分钟
Ti
1.5∙10-2
类金刚石碳膜
2.0 10-1
重量，千克
15
外型尺寸，厘米
203040
2,5
30
1,5∙10-2
2,0 10-1
15
Свойства алмаза и алмазоподобных
углеродных (АПУ) пленок
金刚石和类金刚石碳膜的性能特点
Свойства性能
Микротвердость, ГПа
显微硬度 GPa
Модуль Юнга, ГПа
杨氏模量， GPa
Плотность, г/cм3
密度，克/立方厘米
Коэффициент трения,
摩擦系数
Удельное сопротивление,
Ом∙см
电阻率 欧姆厘米
Теплопроводность, Вт/мК
导热性 W/m.K
Показатель преломления
( = 583 нм)
折射率
( = 583 毫微米)
Алмазные СVD –
пленки
СVD金刚石膜
Водородосодерж
ащие пленки С:Н
薄膜含氢量-С:Н
Пленки из
дугового
разряда t-C
电弧电荷镀膜t-C
Природный
алмаз
(тип II)
天然金刚石
(类型II)
70-90
18-40
40-100
80-100
986-1050
50-150
450-600
1079
3,5
1,8-2,4
2,4-3,4
3,52
0,05
-
0,03
0,05
до 1012
10-1014
104-109
1014
600-1800
0,2-0,5
3-9
2000
2,4-2,45
1,7-2,3
2,4-2,7
2,44
КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД (PVD – CVD) ПОЛУЧЕНИЯ АПУ ПЛЕНОК
(PVD – CVD)复合法获取类金刚石碳膜
Морфология поверхности表面形貌
Carbon
plasma
source
Argon
plasma
source
Titanium
Б
plasma
А
source кремнии, полученной при
Рельеф поверхности АПУ пленки на полированном
напряжении разряда 350 В в вакууме (А) и давлении ацетилена 0,6 Па (Б)
在电荷压力为35伏特且在真空(А)和电石气压力为0.6帕(B)情况下，抛光硅片上的类金刚石碳膜表面形貌
Толщина пленки 170 нм薄膜厚度170 nm
Ra = 0,15 нм Ra = 0.15 nm
Rq = 0,19 нм Rq = 0.19 nm
Толщина пленки 500 нм薄膜厚度500 nm
Ra = 1,46 нм, Ra = 1.46 nm
Rq = 1,88 нм, Rq = 1.88 nm
Rz = 3,49 нм Rz = 3.49 nm
Rz = 14,52 нм Rz = 14.52nm
Осаждение ацетилена приводит к росту шероховатости поверхности. На микроуровне пленка остается
высокогладкой (параметры шероховатости пленки па порядок ниже параметров шероховатости 14 класса чистоты
поверхности).
电石气沉积导致表面粗糙度增加。在微观层面上薄膜高度光滑（膜粗糙度参数低于表面光洁度14等级粗糙度参数）。
СВОЙСТВА АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
类金刚石膜性能
АСМ изображение поверхности АП
У пленки на полированном
кремнии
Ra = 0.19 нм, Rq = 0.34 нм,
Rz = 15.96 нм
在抛光硅片类金刚石碳膜表面的
АСМ图像
Ra = 0.19 nm, Rq = 0.34 nm
Rz = 15.96 nm
Спектр комбинационного
рассеяния света
D-пик: 1379.1 cm-1
G-пик: 1574.1 cm-1
ID/IG = 0.15
光的复合散射光谱
D-峰值：1379.1 cm-1
G-峰值：1574.1 cm-1
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1400
1200
1000
800
600
400
DLC_1.xls Hardness DLC_1.xls Modulus
200
0
0
50
100
150
200
Displacement Into Surface (nm)
Твердость и модуль Юнга АПУ пленки толщиной 1,2
мкм на подложке твердого сплава WC-Co
HV = 8500 (85 ГПа), E = 950 ГПа
ID/IG = 0.15
Характеристики АПУ пленок类金刚石碳膜的特点
3
Плотность, г./cм
2.8…3.0
Толщина, нм
50…2500
Твердость, ГПа
60…85
Шероховатость Ra, нм
Модуль Юнга, ГПа
650…950
Коэффициент трения
0.1…0.4
Термостабильность, C
до 300…350
密度，g./cm3
2.8 ... 3.0
厚度，nm 50 ... 2500
硬度，GPa
60 ... 85
粗糙度Ra，nm 0.5 0.2 ...
杨氏模量，GPa
650 ... 950 ... 摩擦系数 0.4 0.1
热稳定性，° C
至300 ... 350
0.2…0.5
Modulus (GPa)
Hardness (GPa)
Analyst Project.xls
Hardness vs Displacement Into Surface
ПРИМЕНЕНИЕ ПОКРЫТИЙ
涂层的应用
Режущий инструмент
刀
Фрезы по обработке
Древесины
加工用铣刀
Увеличение времени эксплуатации
режущих инструментов в 1.5…5 раз
增加切割工具的使用寿命1.5 ... 5倍
Метчики
丝锥
Фрезы 铣
刀
Сверла
钻头
ПРИМЕНЕНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК
应用类金刚石碳薄膜
Твердосплавные микросверла и фрезы
钨硬质合金小钻头和铣刀
Отчет об испытаниях RT 0.63.5 RT 0.6´3.5试验总结
Цель目的:
Определить время службы фрез: 0,63.5 мм确定铣刀的使用寿命：0.6´3.5毫米
Условия испытаний测试条件:
Число оборотов – 45000 мин-1,转速 - 45000分- 1
Скорость подачи – 8 мм/с进给速度 - 8毫米/秒
Зачетные требования测试要求
Длина резания – 6 м,切割长度 - 6米
Отсутствие заусенец на канавке резания切槽无毛刺
Результаты испытаний测试结果
Дата
日期
Заключение
Фрезы 0.6*3.5 из серии №2
прошли все испытания и
параметры осаждения
алмазоподобных углеродных
покрытий для этой серии могут
быть рекомендованы для фрез
указанного размера
结论
№2系列0.6*3.5铣刀经过类金刚石碳涂层
的所有测试，此系列的涂敷参数可以推荐
用于上述尺寸铣刀
13.03.08
Номер
серии
系列号
2
Номер тестирования
检测号
Длина резания
без заусениц
无毛刺切割长度
Поломка фрез
铣刀断裂
1
6м
Нет无
2
7,5 м
Нет无
3
8,8 м
8,9 м поломка
8.9米断裂
3,3 м поломка
3.3米断裂
1
03.03.08
4
2
6 м,
Нет无
3
7м
8,7 м поломка
8.7米断裂
ПРИМЕНЕНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК
耐磨性类金刚石碳膜的应用
Литейные формы для пластмасс塑料的铸造模具
Применение АПУ покрытий обеспечивает:
耐磨性类金刚石碳涂层的应用可保证：
Увеличение срока эксплуатации
> 2- 3 раза
增加使用寿命
> 2- 3倍
Отсутствие прилипания пластмассы к форме
使塑料对模具的粘着力缺乏
Более высокое качество поверхности деталей
零件表面超高质量
B
ПРИМЕНЕНИЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК
耐磨性类金刚石碳膜的应用
Детали часов表的零件
X20
DLC
cm
А
Б
Антифрикционные алмазоподобные углеродные покрытия на осях трибов шестерен часовых механизмов ,
полученные по PVD технологии (А) и декоративные биологически индеферентные покрытия на корпусах
и браслетах часов, полученные по комбинированной PVD-CVD технологии (Б)
根据PVD技术(А)获得的耐磨性类金刚石碳涂层，用在定时机械齿轮轴上，根据复合性PVD-CVD技术
（B）获得的耐磨性类金刚石碳涂层，用在表体和表链上。
БИОСОВМЕСТИМЫЕ ПОКРЫТИЯ НА
МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТАХ
生物相容性涂层用于医疗植入物
A
B
C
A1
Корпуса искусственных клапанов сердца (А) и ИКС в сборе (A1),
Фиксатор - эндокорректор позвоночника (B)
Ротор искусственного левого желудочка сердца (С).
人工心脏瓣膜综合体(А)和人工瓣膜组件(A1),
脊柱固定装置和内矫正装置(B)
人工左心室叶轮(С)。
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА МАГНИТОИМПУЛЬСНЫМ
ВОЗДЕЙСТВИЕМ
磁脉冲作用进行多功能处理
Силовой, тепловой и электрофизические
эффекты взаимодействия магнитных полей с
материалами
磁场与材料相作用的电力、热力和亲电效应
•многофункциональность多功能性
•гибкость灵活性
•высокое качество高质量
•минимальные затраты энергии, материалов и
труда能源、材料和劳动的最低支出
Снижение затрат
•энергопотребления до 3 раз
•на штамповую оснастку до 10 раз
•сроков подготовки производства до 5
раз
降低成本
•降低能耗高达3倍
•减少模具装备高达10倍
•降低生产准备期高达5倍
17