Warstwy węglowe na narzędziach skrawających

Niedzielski, P.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Warstwy węglowe na narzędziach skrawających

Autorzy

Niedzielski P.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Języki publikacji

Abstrakty

Warstwy węglowe, zawierające część atomów węgla w konfiguracji elektronowej o σ sp³, są nowym materiałem, znanym dopiero od 1981 r. Warstwy te, ze względu na udział diamentu w ich budowie, wydają się predestynowane do zastosowania jako pokrycia przeciwzużyciowe na narzędziach skrawających. Jednakże ze względu na specyfikę właściwości diamentu, różniącą go od typowych materiałów narzędziowych, warstwy węglowe sprawiają poważne trudności dla ich zastosowania. Badania własne autora, przedstawione w tej pracy oraz istniejący stan wiedzy przedstawiony w rozprawie dotyczą kompleksowo ujętego problemu warstw węglowych na narzędziach, co doprowadziło do opracowania nowej generacji uszlachetnionych narzędzi skrawających o uniwersalnym zastosowaniu do cięcia metali i drewna, a także bioochronnego cięcia kości i tkanek. Do otrzymania warstw została zbudowana aparatura do krystalizacji z fazy gazowej z udziałem reakcji chemicznej aktywowanej plazmą wysokiej częstotliwości oraz opracowane zostały zoptymalizowane parametry procesu syntezy. Badania wykazały, że dla pożądanej zawartości diamentu i dobrej przyczepności warstw kluczowe znaczenie posiada autopotencjał elektrody. Zaproponowany model mechanizmów elementarnych zjawisk służących optymalizacji technologii przedstawia metodę jako proces hybrydowy łączący nawęglanie jonowe z syntezą diamentu z udziałem krystalizacji z fazy gazowej wspomaganej plazmą wysokiej częstotliwości. Badania budowy chemicznej i fazowej warstw oraz właściwości fizykochemiczne ich powierzchni, a także złącz z podłożem wykazały, że powłoki naniesione w warunkach optymalizowanych zawsze zawierały fazę diamentową, zawsze były hydrofilowe, zawsze łączyły się z podłożem strefą reaktywno-dyfuzyjną (metale), bądź "obszarem zakotwiczenia" (węglik). Takie właściwości warstw węglowych pozwoliły na przemysłowe zastosowanie ich do narzędzi skrawających. Zastosowanie narzędzi z węglików pokrytych warstwą węglową umożliwiło wydłużenie czasu skrawania tworzyw drewnopochodnych i metali kolorowych w zakresie od 50% do 300% w zależności od obrabianego materiału i rodzaju procesu. Również zastosowanie warstw węglowych jako bioobojętnych powłok przeciwzużyciowych na narzędziach chirurgicznych doskonale sprawdziło się w praktyce operacyjnej, uzyskując bardzo pozytywne opinie ze strony używających je lekarzy.

Carbon coatings, which partially consist of carbon elements, which have a σ sp³ electron configuration, are a new material known only since 1981. Because of this diamond part in layers structure, they seems to be predestinated to application as antiwearing coatings onto the cutting tools. Taking into consideration the specific diamond properties, which make that these new material differs from those typical materials for tools, the carbon coatings make a seriously complication to their application. Author's own examinations, presented in this work, concerning the comprehensivly expressed problem with carbon coatings onto the tools. That resulted in working out a new generations of refined cutting tools, which have an universal application in metal and wood cutting, but also in bio-protective cutting of bones and tissues. To get this special kind of coatings the apparatus to evoke crystallization process from the gas phase with the chemical reaction activated by the high frequency plasma was built. Besides the synthesis process parameters were worked out. Tests showed that autopotential of electrode has a main role to get layers which are characterized by required content of diamond and good adhesion. The suggested model of elementary phenomenons' mechanics, which are designed for technology optimization, presents method as a hybrid process connective the ion carbonization and the diamond synthesis. In the last one has share the crystallization process from the gas phase aided by the high frequency plasma. Tests of the chemical and phase structure of the layers and physicochemical properties of the surface and the joints with the substrate too, showed that coatings, fabricated in an optimized conditions, always included diamond phase, were always hydrophilic, jointed with substrate by a reactive and diffusible phase (metals) or by an "anchoring area" (carbides). These properties of carbon layers allowed to use them at an industrial application for cutting tools. Application of tools made from carbides covered by carbon coating made possible to extend the time of materials like wood and non-ferrous metals' machining at range from 50% to 300% depending on the material and process type. The application of carbon coatings as an bioneutral antiwearing coatings onto the surgical tools turned out to be very useful in an operating practice and got very positive opinion with doctors using them.

Słowa kluczowe

narzędzia skrawające cienkie warstwy węglowe

cutting tools carbon thin films

Wydawca

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Rocznik

2005

Tom

Z. 342

Strony

3--117

Opis fizyczny

Bibliogr. 97 poz.

Twórcy

autor

Niedzielski P.

Instytut Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej

Bibliografia

1. Aisenberg S., Chabot R.: J. Appl. Phys., 42(1971)2953.
2. Mania R., Stobierski L., Pampuch R.: Crystal Research and Technology, 16(1981)785.
3. Sokołowski M., Sokołowska A., Gokieli B., Michalski A., Rusek A., Romanowski Z.: J. Crystal Growth, 47(1979)421.
4. Mitura S.: Rozprawa habilitacyjna Znaczenie elektronów w procesie niskociśnieniowej syntezy diamentu, Zeszyty Naukowe nr 666, Rozprawy Naukowe, z. 182, Politechnika Łódzka, Łódź 1992.
5. Mitura S., Mitura A., Niedzielski P., Couvrat P.: Nanocrystalline diamond coating: NANOTECHNOLOGY in MATERIALS SCIENCE, Pergamon Press, Elsevier, 2000.
6. Holland L., Ojha S.M.: Thin Solid Films, 38(1976)L17.
7. Holland L., Ojha S.M.: Thin Solid Films, 58(1979)107.
8. Niedzielski P.: Praca doktorska, Politechnika Łódzka, Łódź 1998.
9. Sokołowska A., Olszyna A., Michalski A., Zdunek K.: Niekonwencjonalne środki syntezy materiałów, PWN, Warszawa 1991.
10. Heimann R.B., Evsyukov S.E., Kavan L.: Carbyne and Carbynoid Structures, Kluwer Academic Publishers 1999.
11. Zdunek K.: IPD - Plazma impulsowa w inżynierii powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004.
12. Field J.E.: The Properties of Natural and Synthetic Diamond, Academic Press, London, 1992.
13. Joon C.D., Hoe K.W., et al.: Vacuum, 72(2004)445.
14. Leidich D., Schuhernn A., Umbach H., Niemann E., Beyer W.: Diamond Related Materials, 1 ( 1992) 1169-1175.
15. Bewilogua K., Wittorf R., Thomsen H., Weber M.: Thin Solid Films, 447-448(2004)142.
16. Corbella C, Vives M., Pinyol A., Bertran E., Canal C, Polo M.C., Andujar J.L.: Surface and Coatings Technology 177-178(2004)409.
17. Yu G.Q., Tay B.K., Sun Z., Pan L.K.: Applied Surface Science, 219(2003)228.109
18. Mokuno Y., Chayahara A., Horino Y., Nishimura Y.: Surface and Coatings Technology, 156(2002)328.
19. Michalski A.J.: Fizykochemiczne podstawy otrzymywania powłok z fazy gazowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
20. Man-Seob Ch., Jin-Ho K., Yong-Sang K.: Journal of Non-Crystalline Solids, 324(2003)187.
21. Ronkainen H., Koskinen J., Anttila A., Holmberg K., Hirvonen J.P.: Diamond and Related Materials, 1(1992)639.
22. Der-Jim J., Chi-Fong A., Cheng-Chung L.: Vacuum, 74(2004)531.
23. Leidich D., Schuhernn A., Umbach H., Niemann E., Beyer W.: Diamond Related Materials, 1(1992) 1169.
24. Loir A.-S., Garrelie F., Donnet C, Belin M., Forest B., Rogemond F., Laporte P.: Thin Solid Films, 453-454(2004)531.
25. Nakazawa H., Yamagata Y., Suemitsu M., Mashita M.: Thin Solid Films, 467(2004)98.
26. Golabczak A., Niedzielski P., Mitura S., Zak J.: SPIE Proc. Solid State Crystals in Optoelectronics and Semiconductor Technology, 3179(1997)90.
27. Proffitt S.S., Probert S.J., Whitfield M.D., Foord J.S., Jackman R.B.: Diamond and Related Materials, 8(1999)768.
28. Rediel R.: Adv. Mater., 13(1994)1688.
29. Olszyna A.R.: Ceramika supertwarda, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2001.
30. Inspektor A., Oies E.J., Bauer CE.: Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 15(1997)49.
31. Lux B., Haubner R.: Ceramics International 22(1996)347.
32. Cappelli E., Orlando S., Pinzari F., Napoli A., Kaciulis S.: Applied Surface Science 138-139(1999)376.
33. Kalish R., Reznik A., Nugent K.W., Prawer S.: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 148(1999)626.
34. Prawer S., Rosenblum L, Orwa J.O., Adler J.: Chemical Physics Letters, 390(2004)458.
35. Przygocki W., Włochowicz A.: Fulereny i nanorurki; WNT 2001.
36. Filik J., May P.W., Harvey J.N.: The laser Raman spectra of diamondoids: understanding nanodiamond crystals, 15th Europen Conference DIAMOND 2004, 12-17 September 2004 Riva del Garda, Italy.
37. Huang S.M., Sun Z., Lu Y.F., Hong M.H.: ApplPhys. A, 74(2002)519.
38. Andrjjew W., Naczalnaja T., Sozin J., Semenowicz A., Gonczarow F., Gabrucenok W.: Technologia Proizbodstwa i Oborudowanie, 4(1991)18.
39. Merel P., Tabbal M., Chaker M., Moisa S., Margot J.: Applied Surface Science, 136(1998)105.
40. Park CK., Chang S.M., Uhm H.S., Seo S.H., Park J.S.: Thin Solid Films, 420-421(2002)235.
41. Taki Y., Takai O.: Thin Solid Films, 316(1998)45.
42. Cłapa M.: Praca Doktorska, Politechnika Łódzka, Łódź 2002.
43. Garber S.: Diamond and Related Materials, 3(1994)506.
44. Hoffman A., Michaelson S.: Hydrogen in nano-diamond films, p.6.3, 15th Europen Conference DIAMOND 2004, 12-17 September 2004 Riva del Garda, Italy.
45. Ley L., Cardona M., Baer Y., Campagna M., Grobman W.D., Höchst H., Hufner S., Koch E., Kunz C, Pollak R.A., Steiner P., Wertheim G.K.: PHOTOEMISSION IN SOIIDS II Case studies Applied Physics, Vol 27, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New-York.
46. Kowbel W., Shan C.H.: Carbon, 28(1990)287.
47. Bou M., Martin J.M., Lemogne T.H., Vovelle L.: Applied Surface Science, 47(1991)149.
48. Leary HJ., Campbell D.S., Slattery J.S., Sargent BM R.J.: General Technology Division, Essex Junction, VT 05452, 328-329.
49. Moravec T.J., Orent T.W.: J Vac.Sci Technol., 18(1981)226.
50. Lascovish J.C., Giorgi R., Scaglione S.: Applied Surface Science, 47(1991)17.
51. Coutures J.P., Erre R., Massiot D., Landron C, Billard D., Peraudeau G.: Radiation Effects, 98(1986)83.III
52. Wagner C.D., Riggs W.M., Davis L.E., Moulder J.F.: Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy Perking-Elmer Corporation, Physical Electronics Division.
53. Bismarck A., Tahhan R., Springer J., Schulz A., Klapotke T.M., Zell H., Michaeli W.: Journal of Fluorine Chemistry, 84(1997)127.
54. Nanse G., Papirer E., Fioux P., Moguet F., Tressaud A.: Carbon, 35(1997)175. 55.Gardner S.D., Singamsetty C.S.K., Booth G.L., Guo-Renhe C.U., Pittman J.R.: Carbon, 33(1995)587.
56. Jouan P.Y., Peignon M.C., Cardinaud C.H., Lemperiere G.: Applied Surface Science, 68(1993)595.
57. Delpeux S., Béguin F., Benoit R., Erre R., Manolova N., Rashkov I.: Eur. Polym.J., 34(1998)905.
58. Morimoto Y., Sasaki M., Kimura H., Sakamoto K., Imai T., Okuno K.: Fusion Engineering and Design, 66-68(2003) 651.
59. Rylski A., Niedzielski P., Mitura S.: Journal of Chemical Vapor Deposition, 3/4(1996)296.
60. Mitura E., Niedzielska A., Niedzielski P., Klimek L., Rylski A., Mitura S., Moll J., Pietrzykowski W.: Diamond Rei. Materials, 5(1996)998-1001.
61. Paolini Ch.: Nano-modification of diamond surface using an atomic force microscope Workshop on Metrology for Nanotechnology; Centre of Excellence "Nanostructured Interfaces and Surfaces", University of Turin 2003.
62. Braca E., Kenny J.M., Korzec D., Engemann J.: Thin Solid Films, 394(2001)30.
63. Yang P., Kwok S.C.H., Fu R.K.Y., Leng Y.X., Wang J., Wan G.J., Huang N., Leng Y., Chu P.K.: Surface and Coatings Technology, 177-178(2004)747.
64. Morita T., Banshoya K., Tsutsumoto T., Murase Y.: Forest Products Journal, 48(1998)43.
65. Informacja własna P. Beer, Wydział Technologii Drewna, Akademia Rolnicza w Poznaniu.
66. Wierzchoń T., Czarnowska E., Krupa D.: Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu biomateriałów tytanowych, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2004.
67. Czarnowska E., Wierzchoń T., Maranda A., Kaczmarewicz E.: J.Mater.Sci.: Matin Med., 4(2000)73.
68. Rajchel B., Otfinowski J., Czajkowska B. i inni: Inżynieria Biomateriałów, 14(2001)3.
69. Aladjem A.: J.Mater.Sci. 8(1973)668.
70. Krupa D., Baszkiewicz J., Jezierska E., Mizera J., Wierzchoń T., Barcz A., Fillit R.: Surface Coatings Technology, 111(1999)86.
71. Scholl H., Błaszczyk T., Niedzielski P., Gralewski J.: Inżynieria Biomateriałów, 35-36(2004)45-53.
72. Scholl H., Błaszczyk T., Niedzielski P.: Biomaterials in nanoelektrochemistry. Theory and practice, [w:] NANODIAM Mitura S., Walkowiak B., Niedzielski P. (red.) Łódź 2005, w druku.
73. Jakubowski W., Bartosz G., Niedzielski P., Szymański W., Walkowiak B.: Diamond and Related Materials 13 (2004) 1761.
74. Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2000.
75. Moszczyński A.: Nawęglanie gazowe, WNT, Warszawa 1983.
76. Pełczyński T.: Obróbka cieplno chemiczna stali, Prace Naukowe Politechniki Lubelskiej, z. 143,1985.
77. Luty W. (red.) praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera, Obróbka cieplna stopów żelaza, WNT, Warszawa 1977.
78. Kula P.: Inżynieria Materiałowa, 5(1999)221.
79. Sugiyama M., Ishikawa K., Iwata H.: Advanced Materials and Processes, 4(1999)29.
80. Olsvik O., Odd A., Hholmen R., Holmen A.: Chemical Engineering Technology, 18(1995)349.
81. Liang W., Xiaolei X., Bin X., Zhiwei Y., Zukun H.: Surface and Coatings Technology, 131(2000)563.
82. Kim T.S., Park Y.G., Wey M.Y.: Materials Science and Engineering A, 361(2003)275.
83. Baek J.M., Cho Y.R., Kim D.J., Lee K.H.: Surface and Coatings Technology, 131(2000)568.
84. Rie K.T., Menthe E., Whole J.: Surface and Coatings Technology, 98(1998)1192.
85. Ferro S.: Journal of Materials Chemistry 12(2002)2843.
86. Spitsyn B., Bouilov L., Derjaguin B.: J.Cryst.Res.Rechnology, 52(1981)219.
87. Marguarott C.L., Williams R.T., Nagel D.J.: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 38(1985)325.
88. Electronic Mat. 20(1991)121.
89. Sokołowski M., Sokołowska A.: J. Cryst. Growth, 57(1982)185.
90.Lifshitz Y., Kasi S., Rabalais J.W.: Phys. Rev. 1990, 841, P. 10468.
91. Lifshitz Y., Kasi S., Rabalais J.W.: Phys. Rev. Lett. 1989, 68, P.620.
92. Robertson J.: Diamond and Related Materials, 2 (1993)984.
93. Thomson J.J.: Elektrizitatdurchang in Gasen: B.G. Teubner Berlin 1906. 94.KashievD.: J.Cryst. Growth, 13/14(1972)128.
95. Sokołowski M., Sokołowska A., Michalski A., Ziyikowski Z.: J.Cryst. Growth, 52(1981)274.
96. Haś Z., Mitura S., Wendler B.: International Ion Engineering Congress ISIAT and IPAT'83: Proc. Int. Ion Eng. Congr.: Int. Symp. On Ion Sources and Ion Assisted Technology and Int. Conf. on Ion and Plasma Assisted Techniques, Kyoto, 12-16 September, 1983, P. 1143-1148.
97. Mitura S.: J. Crystal Growth, 80(1987)417.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0016-0025