Für schwer zerspanbare Werkstoffe wie CFK werden diamantbeschichtete Werkzeuge (diamantbeschichtete Werkzeuge) eingesetzt. Bei der Herstellung von diamantbeschichteten Werkzeugen ist eine Vorbehandlung erforderlich, um Kobalt mit einer Flüssigkeit aus dem Werkzeug zu entfernen, um eine gleichmäßige Diamantfilmoberfläche zu erreichen. Es bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen flüssiger Abfälle aus der Flüssigkeitsvorbehandlung (Nassverarbeitung), und es besteht die Notwendigkeit, ein Verfahren zu entwickeln, das keine Flüssigkeiten verwendet (Trockenverarbeitung).
Ein Forschungsteam, bestehend aus dem Masterstudenten Yoshinori Saiki, Assistenzprofessor Takahiro Bando, Dozent Toru Harigai, Professor Hirofumi Takikawa vom Department of Electrical and Electronic Information Engineering der Toyohashi University of Technology und anderen, hat den Mechanismus aufgedeckt, durch den Kobalt den Diamantfilm bildet Oberfläche ungleichmäßig mit dem Ziel, eine Vorbehandlung zu entwickeln, die keine Nassbearbeitung erfordert.
Insbesondere fand das Team heraus, dass Kohlenstofffilamente eine ungleichmäßige Bildung in glatten, reibungsarmen nanokristallinen Diamantfilmen verursachen und dass die Hemmung von Kohlenstofffilamenten der Schlüssel ist. Diese Studie wurde in Zusammenarbeit mit der OSG Corporation (einem führenden Unternehmen in der Region Higashimikawa) und der Nagaoka University of Technology durchgeführt, was sie zu einem einzigartigen Forschungsprojekt für die Toyohashi University of Technology macht.
Für schwer zerspanbare Werkstoffe werden mit Diamantfolie beschichtete Werkzeuge (diamantbeschichtete Werkzeuge) eingesetzt. Ein typisches Beispiel für schwer zerspanbare Werkstoffe ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), der als leichter und harter Werkstoff zur Gewichtsreduzierung von Flugzeug- und Automobilkarosserien eingesetzt wird.
Als Grundmaterial von Werkzeugen zum Abscheiden von Diamantfilmen wird gewöhnlich gesintertes Wolframcarbid mit Kobaltbindemittel verwendet. Als Filmabscheidungstechnik wird eine chemische Gasphasenabscheidung mit heißem Faden (HF-CVD) verwendet. Wenn ein Diamantfilm durch HF-CVD auf gesintertem Wolframcarbid abgeschieden wird, verschlechtert sich bekanntlich die Qualität von diamantbeschichteten Werkzeugen, da der Diamantfilm aufgrund von Kobaltkörnern ungleichmäßig wird. Daher ist eine Vorbehandlung erforderlich, um das Kobalt auf dem Wolframsintercarbid mit Flüssigkeit zu entfernen.
Es gibt jedoch Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen von flüssigem Abfall aus der Flüssigkeitsbehandlung (Nassverarbeitung), und es besteht die Notwendigkeit, ein Verfahren zu entwickeln, das keine Flüssigkeiten verwendet (Trockenverarbeitung). In dieser Studie haben wir zunächst den Mechanismus aufgezeigt, durch den Kobalt die Diamantfilmoberfläche ungleichmäßig macht, mit dem Ziel, eine Vorbehandlung zu entwickeln, die keine Nassbehandlung erfordert.
Es gibt zwei Arten von Diamantfilmen, die auf Werkzeugen abgeschieden werden: mikrokristalline Diamanten und nanokristalline Diamanten. Frühere Forschungen haben einen Mechanismus zur ungleichmäßigen Bildung nur für mikrokristalline Diamanten vorgeschlagen. Allerdings gab es keine Erkenntnisse zu nanokristallinen Diamanten, die als glatt, reibungsarm und für Werkzeuge besser geeignet gelten.
In dieser Studie haben wir den ungleichmäßigen Bildungsmechanismus für nanokristalline Diamanten sowie mikrokristalline Diamanten mit zeitaufgelöster Beobachtung des Abscheidungsprozesses für mikrokristalline Diamanten und nanokristalline Diamanten aufgedeckt. Insbesondere in nanokristallinen Diamanten heben die Kohlenstofffilamente Partikel auf dem Wolframkarbidsubstrat an, wodurch das Substrat ungleichmäßig wird, wodurch eine ungleichmäßige Formation verursacht wird.
In dieser Studie haben wir gezeigt, dass es wichtig ist, das Wachstum von Kohlenstofffilamenten in der Anfangsphase der Abscheidung zu hemmen, um die ungleichmäßige Bildung von nanokristallinen Diamantfilmen bei der Trockenverarbeitung zu verhindern. Für die Zukunft planen wir die Entwicklung einer Abscheidungstechnik unter Verwendung von HF-CVD in einer Hochtemperaturumgebung, die das Wachstum von Kohlenstofffilamenten hemmen kann. Darüber hinaus planen wir nach der Etablierung eines einheitlichen Bildungsprozesses für nanokristalline Diamantfilme, den Prozess auf tatsächliche Werkzeuge anzuwenden und ihre Bearbeitungsleistung zu untersuchen.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Diamant und verwandte Materialien.
Mehr Informationen:
Yoshinori Saiki et al, Sequenzielle Morphologie von Kobalt aus gesintertem Wolframcarbid in mikrokristallinen und nanokristallinen Diamantfilmen durch HF-CVD, Diamant und verwandte Materialien (2022). DOI: 10.1016/j.diamond.2022.109643