PL240472B1 - Sposób wytwarzania nanowarstw węglowych na powierzchniach podczas mikrowygładzania foliami ściernymi - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nanowarstw węglowych o grubości 10-50 nanometrów na obrabianej powierzchni wytwarzanych w procesie mikrowygładzania tych powierzchni z zastosowaniem diamentowych folii ściernych o wymiarach ziaren 0,5-3 μm.

Warstwy węglowe o grubości nanometrycznej mogą być stosowane w warunkach, gdy nie są możliwe inne metody zmniejszenia współczynnika tarcia w mikromechanizmach, np. w układach wbudowanych w organizmy żywe, lub stosowane w bardzo niskich temperaturach w układach kriogenicznych, lub w nietypowych środowiskach, na przykład w warunkach obniżonego ciśnienia otoczenia.

Nanowarstwy węglowe przydatne byłyby do układów nieaktywnych przez długi okres, od których wymaga się sprawności bez potrzeby dodatkowej konserwacji (układy o utrudnionym dostępie do węzłów kinematycznych, układy stosowane w technice wojskowej lub przeznaczone do zastosowań w próżni i niskich temperaturach), a w których w okresie nieaktywności mógłby nastąpić wzrost współczynnika tarcia.

Proces mikrowygładzania foliami ściernymi charakteryzuje się tym, że pojedyncze ziarna ścierne umieszczone na powierzchni narzędzia wykorzystywane są jednokrotnie w procesie obróbki. W procesie wygładzania folia ścierna jest powoli przewijana z rolki podającej, na rolkę zwijającą, pomiędzy tymi rolkami znajduje się rolka dociskowa, która dociska folię do przedmiotu obrabianego. Prędkość przesuwu folii do mikrowygładzania jest znacznie mniejsza od prędkości przemieszczania się obrabianej powierzchni. W procesie dogładzania foliami ściernymi narzędzie spełnia dwie funkcje, pierwsza funkcja to usuwanie materiału, natomiast druga to wynoszenie produktów obróbki w przestrzeniach między ziarnami ściernymi, poza strefę obróbki.

Mikrowygladzanie realizuje się z zastosowaniem folii ściernych, które mogą być wytworzone z elektrostatycznym lub grawitacyjnym osadzaniem ziaren ściernych na powierzchni nośnika w postaci folii. Metoda elektrostatyczna osadzania ziaren ściernych na powierzchni nośnika zapewnia takie zorientowanie ostrzy skrawających, aby wydajność mikrowygładzania była najwyższa. Ze względu na dobre właściwości skrawne folii wytwarzanych tą metodą stosuje się je do przygotowania powierzchni do późniejszego procesu mikrowygładzania z zastosowaniem folii dogładzających.

W metodzie grawitacyjnej wytwarzania folii ściernych mieszanka ziaren ściernych i spoiwa jest nanoszona mechanicznie i wygładzana na powierzchni nośnika (folia poliestrowa). Proces ten powoduje, że część ostrzy skrawających jest zatopiona w kleju, wskutek czego podczas dogładzania powierzchni nie powstają pojedyncze głębsze rysy.

Warstwy węglowe mogą być wytwarzane z zastosowaniem technik: epitaksji warstw na podłożu krystalicznym, CVD (Chemical Vapour Deposition), PACVD (Plasma Activated Chemical Vapour Deposition). PVD (Physical Vapour Deposition), PAPVD (Plasma Assisted Physical Vapour Deposition), CAPD (Cathodic Arc Plasma Deposition), MS (Magnetron sputteringReactive), IBD (Ion Beam Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition), przy czym metody te są kosztowne i są realizowane w m.in. próżni, co ogranicza ich zastosowanie do powierzchni w elementach mieszczących się w komorach próżniowych.

Wytwarzanie warstw węglowych z zastosowaniem techniki epitaksji, wykorzystywanej m. in. do wytwarzania półprzewodników, polega na depozycji powłoki z monokryształów grafitu na podłożu krystalicznym, nanoszone atomy grafitu powielają układ sieci krystalicznej podłoża. Do odmian epitaksji, która również umożliwia tworzenie warstw węglowych, należy desorpcja atomów danego pierwiastka ze struktury krystalicznej podłoża w wysokich temperaturach. Utworzoną warstwę stanowi ten pierwiastek, który nie został usunięty.

Nanoszenie warstw węglowych metodą CVD polega na chemicznym nanoszeniu warstwy z fazy gazowej na podłoże, na którym zachodzą reakcje chemiczne. Gazy wprowadzone są do komory, gdzie niewspomagana technika CVD odbywa się zazwyczaj przy ciśnieniu atmosferycznym oraz wysokich temperaturach (900-1100°C). Odmianą metody CVD jest PACVD, czyli chemiczne osadzanie powłoki z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym, jest to technika możliwa do realizacji przy niższych temperaturach (poniżej 600°C). Jest to możliwe przy zastosowaniu wzbudzenia cząstek w gazie z wykorzystaniem plazmy, generowanej w polu elektrycznym między dwiema równoległymi płytkami, z których jedna to katoda, a druga, na której znajdują się podłoża, jest uziemiona. Metody te stosowane są głównie do produkcji sensorów gazu, tranzystorów, fotodetektorów i innych elementów stosowanych w elektronice.

Kolejną grupą metod służących do wytwarzania warstw węglowych są metody PVD, czyli metody fizycznego osadzania z fazy gazowej powłok przy ciśnieniu 10-10^-5 Pa na podłożu zimnym lub podgrzanym (200-500°C). Powłoka powstaje w wyniku krystalizacji z gazu na podłożu, wiążąc się siłami adhezji. W tworzeniu powłoki nie następują żadne przemiany chemiczne, tylko występują zjawiska fizyczne,

PL 240 472 B1 w tym zmiana stanu skupienia materiału osadzanego. Stosuje się różne odmiany tej metody, w tym PLD - osadzanie powłok za pomocą lasera impulsowego oraz PAPVD - osadzanie powłoki ze wspomaganiem plazmowym, MD - rozpylanie magnetronowe, gdzie głównym elementem rozpylarki jest magnetron, który umożliwia wyładowanie jarzeniowe w skrzyżowanych polach elektrycznych i magnetycznych. Kolejnymi technikami należącymi do grupy metod PVD i wykorzystywanymi do tworzenia warstw węglowych jest CAPD - katodowe odparowanie łukowe oraz IBD - osadzanie powłok z wiązki jonów.

W znanym rozwiązaniu numer US2010107509 oraz US5702811 autorzy proponują modyfikację powierzchni nasypowych narzędzi ściernych w procesie ich wytwarzania. Według patentu nr US5702811 poprzez zatopienie dwóch rodzajów materiałów ściernych w warstwie kleju na powierzchni narzędzia.

Istota wynalazku dotyczy sposobu wytwarzania nanowarstw węglowych na powierzchni obrabianej w procesie mikrowygładzania, w którym używa się folii ściernej, w sposób ciągły modyfikowanej podczas wprowadzania do strefy obróbki poprzez wypełnienie grafitem przestrzeni między ziarnami diamentowymi, których wymiary wynoszą 0,5-3 μm. Czynność modyfikacji właściwości folii następuje poprzez wciśnięcie i wypełnienie przestrzeni między ziarnami grafitem. Wypełnianie to następuje przed wejściem określonego fragmentu folii do strefy obróbki. Efektem opisanej czynności jest zmiana struktury powierzchniowej folii ściernej, w której przestrzenie miedzy fragmentami ziaren, wystającymi ponad warstwę nośnika i spoiwa, są wypełnione grafitem lub grafitem z domieszką innych pierwiastków, np. krzemu.

Zmiana właściwości narzędzia, poprzez wprowadzenie cząsteczek grafitu, korzystnie z domieszką krzemu, według wynalazku jest czynnością poprzedzającą wprowadzanie w sposób ciągły modyfikowanego fragmentu folii do strefy mikrowygładzania. W odróżnieniu od znanych procesów wygładzania, zmniejszaniu chropowatości powierzchni i odsłanianiu nowych fragmentów obrabianego materiału, które nie kontaktowały się dotąd z otoczeniem, towarzyszy tworzenie cienkich warstw węglowych, indukowanych wysokimi naciskami w strefie wnikania diamentowych ziaren ściernych, które wprowadzają cząsteczki grafitu na nowo tworzoną powierzchnię obrabianego elementu. W efekcie w jednym procesie następuje poprawa struktury geometrycznej powierzchni i wytworzenie warstwy węglowej powodującej zmniejszenie oporów ruchu.

Według wynalazku istota sposobu wytwarzania nanowarstw węglowych realizowana jest podczas wygładzania z użyciem diamentowej folii ściernej o wymiarach 0,5-3 μm, której przestrzenie między ziarnami są wypełnione grafitem, korzystnie z domieszką innych pierwiastków. Grafit na powierzchnię folii diamentowej nanoszony jest z wykorzystaniem rolki (7) z warstwą grafitu lub grafitu z domieszką innych pierwiastków, np. krzemu. Grafitowa rolka (7) może być dociskana rolką (4) ze sprężystym dociskiem (9) do powierzchni diamentowej folii ściernej (2) (fig. 1). Nasycanie przestrzeni międzyziarnowych folii ściernej (2) może być realizowane z wykorzystaniem grafitowego elementu (8) ze sprężystym dociskiem (fig. 3) lub w wyniku podawania płynu obróbkowego zawierającego cząstki grafitu. Diamentowa folia ścierna (2) przesuwa się z prędkością vf i prowadzona jest po rolce zewnętrznej (5) zamocowanej (6) do korpusu głowicy do mikrowygładzania. Prędkość przesuwania v/ diamentowej folii ściernej (2) jest nawet do 1000 razy mniejsza od prędkości obwodowej vw powierzchni przedmiotu obrabianego (1). Diamentowa folia ścierna, przed kontaktem z przedmiotem obrabianym (1) nasycana jest cząsteczkami grafitu (3), korzystnie z domieszką innych pierwiastków, np. krzemu, z wykorzystaniem rolki grafitowej (7) (fig. 2), która może być dociskana sprężyście przez rolkę (4) do folii ściernej (2) (fig. 1). W innym rozwiązaniu rolka (7) może być zastąpiona elementem z grafitu (8) (fig. 3), korzystnie z domieszką innych pierwiastków, dociskanym do folii ściernej (2), co w efekcie powoduje wypełnienie przestrzeni między ziarnami cząsteczkami grafitu (3). Wypełnienie przestrzeni między ziarnami cząsteczkami grafitu (3) na powierzchni folii może również nastąpić poprzez zastosowanie płynu obróbkowego zawierającego cząsteczki grafitu, korzystnie z domieszką innych pierwiastków, np. krzemu. Folia ścierna z przestrzeniami między ziarnami, wypełnionymi cząsteczkami grafitu (3) dociskana jest do przedmiotu obrabianego (1) rolką (4) o podatnej warstwie zewnętrznej dociskaną przez układ docisku (9). Zużyta folia ścierna z przestrzeniami między ziarnami, wypełnionymi produktami obróbki i cząsteczkami grafitu (3) wyprowadzana jest ze strefy mikrowygładzania z prędkością v;,co powoduje wynoszenie produktów mikrowygładzania ze strefy obróbki. W strefie obróbki część grafitu z folii ściennej z przestrzeniami między ziarnami, wypełnionymi cząsteczkami grafitu (3) zostaje naniesiona na powierzchnię przedmiotu obrabianego. Nanoszenie węgla na obrabianą powierzchnię następuje podczas tworzenia tej powierzchni w warunkach wysokich nacisków w strefie oddziaływania wierzchołków aktywnych ziaren ściernych.

Korzystną cechą rozwiązania jest realizacja procesu wytwarzania nanowarstw węglowych na obrabianej powierzchni zintegrowanego z wygładzaniem powierzchni diamentowymi foliami ściernymi.

Kolejną korzystną cechą jest łatwość realizacji przedstawionego bez konieczności wykorzystywania kosztownych układów CVD, PVD oraz innych wymagających procesów próżniowych.

PL 240 472 B1

Następną korzystną cechą jest to, że procesy wygładzania z zastosowaniem diamentowych folii ściernych oraz proces wytwarzania nanowarstw węglowych na powierzchni obrabianej mogą być realizowane jednocześnie z wykorzystaniem typowych układów technologicznych.

P r z y k ł a d 1

Folia ścierna z nominalną wielkością ziaren diamentowych 1 μm przemieszcza się z prędkością Vf 160 mm/min po rolce zewnętrznej prowadzącej (5), następnie rolka (4) dociska diamentową folię ścierną (2) do grafitowej rolki (7) z domieszką krzemu o średnicy 30 mm. W wyniku oddziaływania ziaren ściernych na powierzchnię grafitu, wolne przestrzenie między ziarnami zostają wypełnione cząsteczkami grafitu (3). W kolejnym etapie procesu mikrowygładzania folia ścierna z przestrzeniami między ziarnami, wypełnionymi cząsteczkami grafitu (3) przemieszcza się do strefy obróbki. Przedmiot obrabiany (1) przemieszcza się z prędkością 35 m/min. Folia ścierna (2) dociskana jest do przedmiotu obrabianego rolką dociskową (4) o ściernicy 50 mm, wykonaną z elastomeru o twardości 80 ShA. W strefie obróbki następuje mikrowygładzanie powierzchni przedmiotu obrabianego oraz tworzenie się nanowarstwy węglowej o grubości mniejszej od 50 nanometrów. Podczas procesu mikrowygładzania wolne przestrzenie między ziarnami na powierzchni folii ściernej zostają wypełnione produktami obróbki i wyniesione ze strefy mikrowygładzania. Folia ścierna (2) może być wykorzystana do obróbki powierzchni wielu przedmiotów, gdyż prędkość jej przesuwu jest kilkaset razy mniejsza od prędkości ruchu głównego. Folia przemieszcza się do strefy obróbki tylko w jednym kierunku i po jej wykorzystaniu, obróbkę kolejnych serii przedmiotów prowadzi się po założeniu kolejnej folii ściernej.

P r z y k ł a d 2

Folia ścierna z nominalną wielkością ziaren diamentowych 0,5 μm przemieszcza się z prędkością Vf 150 mm/min po rolce zewnętrznej prowadzącej (5), następnie grafitowa rolka z domieszką krzemu (7) dociska diamentową folię ścierną (2). W wyniku oddziaływania ziaren ściernych na powierzchnię grafitu, wolne przestrzenie między ziarnami zostają wypełnione cząsteczkami grafitu (3). W kolejnym etapie procesu mikrowygładzania folia ścierna z przestrzeniami między ziarnami, wypełnionymi cząsteczkami grafitu (3) wchodzi w strefę obróbki. Przedmiot obrabiany (1) przemieszcza się z prędkością 40 m/min. Folia ścierna (2) dociskana jest do przedmiotu obrabianego rolką dociskową (4) o ściernicy 55 mm, wykonaną z elastomeru o twardości 60 ShA. W strefie obróbki następuje mikrowygładzanie powierzchni przedmiotu obrabianego oraz tworzenie się nanowarstwy węglowej o grubości mniejszej od 20 nanometrów. Podczas procesu mikrowygładzania wolne przestrzenie między ziarnami na powierzchni folii ściernej zostają wypełnione produktami obróbki i wyniesione ze strefy mikrowygładzania.

P r z y k ł a d 3

Folia ścierna z nominalną wielkością ziaren diamentowych 3 μm przemieszcza się z prędkością Vf 120 mm/min po rolce zewnętrznej prowadzącej (5). Diamentowa folia ścierna (2) wchodzi w strefę obróbki, do której podawany jest płyn obróbkowy zawierający cząstki grafitu. Przedmiot obrabiany (1) przemieszcza się z prędkością 42 m/min. Folia ścierna (2) dociskana jest do przedmiotu obrabianego rolką dociskową (4) o ściernicy 55 mm, wykonaną z elastomeru o twardości 50 ShA. W strefie obróbki następuje mikrowygładzanie powierzchni przedmiotu obrabianego oraz tworzenie się nanowarstwy węglowej o grubości mniejszej od 100 nanometrów. Podczas procesu mikrowygładzania wolne przestrzenie między ziarnami na powierzchni folii ściernej (2) zostają wypełnione produktami obróbki i wyniesione ze strefy mikrowygładzania.

P r z y k ł a d 4

Folia ścierna z nominalną wielkością ziaren diamentowych 1 μm przemieszcza się z prędkością Vf 180 mm/min po rolce zewnętrznej prowadzącej (5), następnie grafitowy element płaski z domieszką krzemu (8) dociska diamentową folię ścierną (2). W wyniku oddziaływania ziaren ściernych na powierzchnię elementu grafitowego (8), wolne przestrzenie między ziarnami zostają wypełnione cząsteczkami grafitu (3). W kolejnym etapie procesu mikrowygładzania folia ścierna z przestrzeniami między ziarnami, wypełnionymi cząsteczkami grafitu (3) wchodzi w strefę obróbki. Przedmiot obrabiany (1) przemieszcza się z prędkością 550 m/min. Folia ścierna (2) dociskana jest do przedmiotu obrabianego rolką dociskową (4) o ściernicy 50 mm. wykonaną z elastomeru o twardości 50 ShA. W strefie obróbki następuje mikrowygładzanie powierzchni przedmiotu obrabianego oraz tworzenie się nanowarstwy węglowej o grubości mniejszej od 15 nanometrów. Podczas procesu mikrowygładzania wolne przestrzenie między ziarnami na powierzchni folii ściernej zostają wypełnione produktami obróbki i wyniesione ze strefy mikrowygładzania.

Claims (2)

1. Metoda wytwarzania nanowarstw węglowych na powierzchniach mikrowygładzanych foliami ściernymi znamienna tym, że tworzenie powłoki węglowej, na powierzchni następuje podczas mikrowygładzania tej powierzchni foliami ściernymi, z diamentowymi ziarnami ściernymi o wymiarach 0,5-3 mikrometrów oraz przestrzeniami między wierzchołkami ziaren wypełnianymi w sposób ciągły cząsteczkami grafitu lub grafitu z domieszką krzemu, wprowadzanymi do tych przestrzeni przed przemieszczeniem określonego fragmentu folii do strefy obróbki, przy czym wprowadzanie to następuje z użyciem rolki lub elementu płaskiego z zewnętrzną warstwą materiału wypełniającego, dociskanego do nasypu ściernego folii ściernej.

2. Metoda wytwarzania nanowarstw węglowych na powierzchniach mikrowygładzanych foliami ściernymi znamienna tym, że tworzenie powłoki węglowej na powierzchni następuje podczas mikrowygładzania tej powierzchni foliami ściernymi, korzystnie z diamentowymi ziarnami ściernymi o wymiarach 0,5-3 mikrometrów, w warunkach podawania do strefy obróbki płynu obróbkowego zawierającego cząsteczki grafitu lub grafitu z domieszką krzemu.