RU2734612C1

RU2734612C1 - Method of polishing the surface of polycrystalline diamond coating of parts

Info

Publication number: RU2734612C1
Application number: RU2019143812A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Охлупин; Илья Владимирович Синев; Андрей Артурович Шварцман; Сергей Юрьевич Руш; Альберт Викторович Королев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ТехноТерм-Саратов"
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-10-21

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to surface treatment of polycrystalline diamond coatings obtained by chemical deposition from gas phase, and can be used for production of microelectronics elements, power optics of lasers with high radiation power, parts of fuel equipment of internal combustion engines and other items operating under conditions of increased friction and wear. Method of polishing the surface of polycrystalline diamond coating of parts obtained by deposition from a gas phase, includes treatment of friction parts surface by interaction of parts coating surface with rotating metal counterbody. Counterbody used is a metal brush. Parts with machined surface are tightly fitted in one row and their coating is successively processed for passage in forward and reverse directions.EFFECT: possibility of multiple parts machining for passage and limitation of stock removal during polishing of surface of said coating.1 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам обработки поверхности поликристаллических алмазов, полученных методом химического осаждения из газовой фазы, и может быть использовано для производства элементов микроэлектроники, силовой оптики лазеров с высокой мощностью излучения, деталей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания и многих других изделий, работающих в условиях повышенного трения и износа.The invention relates to methods for surface treatment of polycrystalline diamonds obtained by chemical vapor deposition, and can be used for the production of microelectronic elements, power optics of lasers with high radiation power, parts of the fuel equipment of internal combustion engines and many other products operating under conditions of increased friction and wear.

Известны многочисленные способы полирования поверхности поликристаллического алмаза: механическое абразивное полирование, полирование путем испарения или сублимации поверхности, полирование при помощи химических реакций, лазерное, плазменное полирование, механохимическое полирование и другие.There are numerous methods for polishing the surface of polycrystalline diamond: mechanical abrasive polishing, polishing by evaporation or sublimation of the surface, polishing by chemical reactions, laser, plasma polishing, mechanochemical polishing, and others.

Так, известен способ шлифовки и полировки минеральных объектов, описанный в изобретении RU 95121661, МПК В24В 1/00, опубликован 27.11.1997, в соответствии с которым шлифуемую поверхность алмаза сначала насыщают водородом, а затем в процессе шлифовки используют химический активатор шлифовки, способный при нагревании генерировать локальную экзотермическую реакцию или реакцию, приводящую к химическому разрушению поверхности. Данный способ сложен в практической реализации, так как требует наличия специального оборудования для создания пучка быстрых протонов или атомов водорода и выполняющего растровую строчную развертку пучка с модуляцией его интенсивности или скорости развертки по заданному изображению.So, there is a known method of grinding and polishing mineral objects, described in the invention RU 95121661, IPC В24В 1/00, published on November 27, 1997, according to which the ground surface of the diamond is first saturated with hydrogen, and then in the grinding process a chemical grinding activator is used, capable of heat to generate a local exothermic reaction or reaction leading to chemical destruction of the surface. This method is difficult in practical implementation, since it requires special equipment for creating a beam of fast protons or hydrogen atoms and performing a raster line scanning of the beam with modulation of its intensity or scanning speed over a given image.

Известен способ плазмохимической полировки алмаза (патент США №6517688 В2, кл. МПК С23С 14/00, С23С 14/32, опубликован 11.04.2002), при котором полировка алмаза осуществляется в плазме постоянного тока. При такой обработке углерод переходит в газообразное состояние в плазме, содержащей водород. Достоинством данного способа является возможность обработки весьма тонких пленок покрытия изделия из-за крайне невысоких скоростей съема (1-2 мкм/ч). Но данное оборудование отличается низкой производительностью, а используемое для осуществления данного способа оборудование является дорогостоящим и сложным в применении.The known method of plasma-chemical polishing of diamond (US patent No. 6517688 B2, class IPC C23C 14/00, C23C 14/32, published on 11.04.2002), in which diamond polishing is carried out in direct current plasma. With this treatment, carbon is transformed into a gaseous state in a plasma containing hydrogen. The advantage of this method is the possibility of processing very thin films of the coating of the product due to the extremely low removal rates (1-2 μm / h). But this equipment is characterized by low productivity, and the equipment used to implement this method is expensive and difficult to use.

Известен способ термохимической полировки алмазных пластин (RU 2483856, МПК В24В 37/04, В24В 1/00, опубликован 10.06.2013), при котором осуществляют безабразивную полировку поверхности алмазных поликристаллических пластин трением путем взаимодействия поверхности пластин с вращающимся контртелом. Последнее изготавливают из керамики или кварца, которые не вступают в реакцию с поверхностью алмазной пластины при температуре полировки. Дополнительно используют ультрадисперсный порошок меди или оксида меди в качестве вещества, инициирующего термохимическую обработку алмаза. Обработку ведут на воздухе или в атмосфере, содержащей не менее 10% кислорода при температуре, превышающей 400°С. Недостатком данного способа является сложность практической реализации, так как обработку необходимо осуществлять в специальных условиях, обеспечивающих присутствие кислорода и ультрадисперсного порошка меди, быстрый износ покрытия, что ограничивает его применении при обработке тонких алмазных пленок, и жесткость инструмента, что ограничивает возможность одновременной обработки нескольких деталей в многоместном приспособлении.There is a known method of thermochemical polishing of diamond plates (RU 2483856, IPC В24В 37/04, В24В 1/00, published 10.06.2013), in which non-abrasive polishing of the surface of diamond polycrystalline plates by friction is carried out by interaction of the surface of the plates with a rotating counterbody. The latter is made of ceramics or quartz, which do not react with the surface of the diamond plate at the polishing temperature. Additionally, ultrafine powder of copper or copper oxide is used as a substance that initiates the thermochemical treatment of diamond. The treatment is carried out in air or in an atmosphere containing at least 10% oxygen at a temperature exceeding 400 ° C. The disadvantage of this method is the complexity of practical implementation, since the processing must be carried out under special conditions that ensure the presence of oxygen and ultrafine copper powder, the rapid wear of the coating, which limits its use when processing thin diamond films, and the rigidity of the tool, which limits the possibility of simultaneous processing of several parts in a bench fixture.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ полирования поверхности поликристаллического алмазного покрытия деталей, полученного методом осаждения из газовой фазы, включающий обработку поверхности покрытия трением путем взаимодействия поверхности покрытия с вращающимся металлическим контртелом (RU 2369473, МПК В24В 1/00, опубликован 10.10.2009 - прототип). Контртело выполнено из упорядочивающегося сплава на основе титана, частота вращения контртела составляет от 3000 до 5000 об/мин при нагрузке от 8 до 12 Н. Непосредственно после осуществления основной обработки проводят дополнительную обработку вращающимся контртелом с частотой от 100 до 200 об/мин при нагрузке от 1 до 5 Н и взаимном смещении контактирующих тел. В процессе обработки контролируют величину коэффициента трения, а дополнительную обработку проводят после скачкообразного увеличения коэффициента трения. Основную и дополнительные обработки повторяют.The closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a method of polishing the surface of a polycrystalline diamond coating of parts obtained by the method of vapor deposition, including treatment of the coating surface by friction by interaction of the coating surface with a rotating metal counterbody (RU 2369473, IPC В24В 1/00, published 10.10.2009 - prototype). The counterbody is made of an ordering alloy based on titanium, the rotation frequency of the counterbody is from 3000 to 5000 rpm at a load of 8 to 12 N. Immediately after the main processing, additional processing is carried out with a rotating counterbody at a frequency of 100 to 200 rpm at a load of 1 to 5 N and the mutual displacement of the contacting bodies. During processing, the value of the friction coefficient is controlled, and additional processing is carried out after an abrupt increase in the coefficient of friction. The main and additional treatments are repeated.

Недостатками данного способа являются невозможность обработки покрытия малой толщины из-за высокого съема припуска и низкая производительность из-за многоэтапное™ процесса, а также ограниченной возможности осуществления многоместной обработки деталей на проход из-за наличия даже небольшой разноразмерности обрабатываемых заготовок.The disadvantages of this method are the impossibility of processing a coating of small thickness due to the high stock removal and low productivity due to the multistage process, as well as the limited possibility of carrying out multiple machining of parts per pass due to the presence of even a small uneven size of the processed workpieces.

Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение возможности полирования поверхности покрытия детали поликристаллическим алмазом малой толщины и повышение производительности обработки.The objective of the proposed invention is to provide the possibility of polishing the surface of the coating of the part with a polycrystalline diamond of small thickness and increase the productivity of processing.

Техническим результатом является ограничение съема припуска в процессе полировки и обеспечение возможности многоместной обработки деталей на проход.The technical result is to limit the removal of the allowance in the process of polishing and to ensure the possibility of multiple processing of parts per pass.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в способе полирования поверхности поликристаллического алмазного покрытия деталей, полученного методом осаждения из газовой фазы, включающего обработку поверхности покрытия трением путем взаимодействия поверхности покрытия с вращающимся металлическим контртелом, в качестве контртела используют металлическую щетку, обрабатываемые детали устанавливают плотно в один ряд и осуществляют их последовательную обработку на проход в прямом и обратном направлениях.The task is provided by the fact that in the method of polishing the surface of a polycrystalline diamond coating of parts obtained by the method of deposition from a gas phase, including treatment of the coating surface by friction by interaction of the coating surface with a rotating metal counterbody, a metal brush is used as a counterbody, the processed parts are set tightly in one row and carry out their sequential processing for the passage in the forward and reverse directions.

Так как в качестве контртела используют металлическую щетку, то совместно с химико-термической обработкой осуществляется и механическое удаление микронеровностей поверхности, что снижает потребное время обработки и повышает производительность. Так как уменьшается время воздействия контр тела на обрабатываемую поверхность, то уменьшается снимаемый в процессе обработки поверхностный слой, что обеспечивает возможность обработки покрытия малой толщины. Одновременная обработка нескольких заготовок на проход в прямом и обратном направлениях также повышает производительность обработки.Since a metal brush is used as a counterbody, mechanical removal of microroughnesses of the surface is carried out in conjunction with chemical-thermal treatment, which reduces the required processing time and increases productivity. Since the time of exposure of the counter body to the surface to be treated decreases, the surface layer removed during the treatment decreases, which makes it possible to process a coating of small thickness. Simultaneous processing of several workpieces per pass in forward and reverse directions also increases processing productivity.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где приведена схема обработки.The essence of the invention is illustrated by a drawing, which shows a processing diagram.

На чертеже используются следующие обозначения: 1 - обрабатываемые детали; 2 - установочно-зажимное приспособление; 3 - круговая металлическая щеткаThe drawing uses the following designations: 1 - workpieces; 2 - mounting and clamping device; 3 - circular metal brush

Обрабатываемые заготовки 1 плотно устанавливают в установочно-зажимном приспособлении 2. В качестве инструмента используют круговую металлическую щетку 3, изготовленную из химически активного по отношению к алмазу материала, например, сплавов на основе железа, титана, хрома, кобальта, никеля и других.The workpieces 1 to be processed are tightly installed in the setting-clamping device 2. A circular metal brush 3 made of a material chemically active with respect to diamond, for example, alloys based on iron, titanium, chromium, cobalt, nickel, and others, is used as a tool.

Круговую металлическую щетку 3 подают по нормали к обрабатываемой поверхности заготовок 1 на глубину h и придают ей вращение от специального привода (не показано) с частотой n. Деталям 1 вместе с приспособлением 2 сообщают подачу S вдоль плоскости обрабатываемой поверхности в сторону круговой металлической щетки 3. После первого рабочего хода осуществляют второй рабочий ход приспособления с подачей S, но в противоположном направлении.The circular metal brush 3 is fed along the normal to the surface of the workpieces 1 to a depth h and rotated from a special drive (not shown) with a frequency n. Parts 1, together with the device 2, are given a feed S along the plane of the work surface towards the circular metal brush 3. After the first working stroke, the second working stroke of the device is carried out with the feed S, but in the opposite direction.

В процессе осуществления способа происходят два взаимосвязанных процесса. На первом рабочем ходе происходит снижение шероховатости обрабатываемой поверхности преимущественно за счет механического скалывания наиболее выступающих вершинок микронеровностей под действием удара щетинок щетки. На втором рабочем ходе происходит дальнейшее снижение шероховатости поверхности до требуемой величины преимущественно за счет графитизации вершинок микронеровностей, которой способствует активизация химического взаимодействия поверхности поликристаллического покрытия с материалом щетки под действием высокой температуры в зоне трения. Такое двойственное воздействие инструмента на обрабатываемую поверхности позволяет в короткое время получить полированную поверхность при малом съеме припуска.In the process of implementing the method, two interrelated processes occur. In the first working stroke, the roughness of the treated surface is reduced mainly due to mechanical shearing of the most protruding tops of microroughnesses under the impact of the impact of the brush bristles. In the second working stroke, the surface roughness is further reduced to the required value, mainly due to the graphitization of the microroughness tops, which is facilitated by the activation of the chemical interaction of the polycrystalline coating surface with the brush material under the action of high temperature in the friction zone. Such a dual effect of the tool on the machined surface allows to obtain a polished surface in a short time with a small stock removal.

Процесс полировки поликристаллического алмазного покрытия деталей металлической щеткой имеет следующие преимущества по сравнению с полировкой жестким инструментом:The process of polishing a polycrystalline diamond coating of parts with a metal brush has the following advantages over polishing with a hard tool:

1. Возможна обработка деталей в многоместном приспособлении напроход, так как наличие небольшой разноразмерности деталей не влияет на качество обработки из-за высокой податливости щетинок щетки.1. It is possible to process parts in a multi-seat device in passing, since the presence of a small difference in the size of parts does not affect the quality of processing due to the high flexibility of the brush bristles.

2. При обработке металлической щеткой помимо химикотермической обработки осуществляется механическое удаление (скалывание) наиболее выступающий неровностей, что повышает производительность обработки.2. When processing with a metal brush, in addition to chemical thermal processing, mechanical removal (chipping) of the most protruding irregularities is carried out, which increases the processing efficiency.

3. Обеспечивается возможность обработки алмазоподобных покрытий небольшой толщины, так как уменьшается время обработки и снижается удаляемый слой припуска.3. The possibility of processing diamond-like coatings of small thickness is provided, since the processing time is reduced and the removed layer of allowance is reduced.

Пример. Полировке подвергались рабочие поверхности детали «Призма», используемой в механизме топливной аппаратуры дизельных двигателей. На наружной поверхности детали выполнены три равнорасположенные рабочие грани с диаметром описанной окружности 54,8 мм, высота детали составляла 27 мм. На каждую из трех граней на установке DREVA 600 методом парового осаждения в вакуумной камере наносилось тонкопленочное поликристаллическое алмазное покрытие типа «ta-С». Толщина покрытия составляла 2,1-2,3 мкм. Шероховатость поверхности после покрытия находилась в пределах Ra 0,12-0,18. По техническим условиям на изготовление этих деталей требуемая шероховатость поверхности не должна превышать Ra 0,04, толщина покрытия должна быть не менее 1,7 мкм.Example. The working surfaces of the "Prism" part used in the mechanism of the fuel equipment of diesel engines were polished. On the outer surface of the part there are three equally spaced working faces with a circumscribed circle diameter of 54.8 mm, the part height being 27 mm. A thin-film polycrystalline diamond coating of the ta-C type was applied to each of the three faces on a DREVA 600 installation by vapor deposition in a vacuum chamber. The coating thickness was 2.1-2.3 μm. The roughness of the surface after coating was in the range of Ra 0.12-0.18. According to the technical conditions for the manufacture of these parts, the required surface roughness should not exceed Ra 0.04, the coating thickness should be at least 1.7 microns.

Для полировки деталей в качестве инструмента использовалась круговая стальная щетка диаметром 250 мм. Обработка осуществлялась на заточном станке. Одновременно 7 заготовок устанавливались плотно одна к другой в приспособление на столе станка.To polish the parts, a circular steel brush with a diameter of 250 mm was used as a tool. The processing was carried out on a sharpening machine. At the same time, 7 blanks were installed tightly to one another in a fixture on the machine table.

Глубина обработки составляла h=1 мм, частота вращения инструмента n=4000 об/мин, подача приспособления с деталями S=400 мм/мин. Осуществлялся один рабочий ход в прямом направлении и один рабочий ход в обратном направлении.The machining depth was h = 1 mm, the tool rotation frequency was n = 4000 rpm, and the feed of the tool with parts was S = 400 mm / min. There was one working stroke in the forward direction and one working stroke in the opposite direction.

После обработки шероховатость полированной поверхности составляла Ra 0,036-0,038, машинное время обработки одной заготовки - 0,2 мин. Толщина покрытия находилась в пределах 1,7-1,9 мкм.After processing, the roughness of the polished surface was Ra 0.036-0.038, the machine processing time of one workpiece was 0.2 min. The coating thickness was in the range of 1.7-1.9 μm.

Таким образом, предложенный способ полирования поверхности поликристаллических алмазных покрытий, полученных методом осаждения из газовой фазы, обеспечивает решение поставленной задачи - возможность обработки тонкопленочных покрытий и повышение производительности обработки.Thus, the proposed method for polishing the surface of polycrystalline diamond coatings obtained by the method of vapor deposition provides a solution to the problem posed - the possibility of processing thin-film coatings and increasing processing productivity.

Claims

A method of polishing the surface of a polycrystalline diamond coating of parts obtained by the method of vapor deposition, including processing the surface of the coating of parts by friction by interaction of the surface of the coating of parts with a rotating metal counterbody, characterized in that a metal brush is used as a counterbody, and the parts with the treated surface are installed tightly in one row and carry out sequential processing of their coating for passage in the forward and reverse directions.