EuroWire January 2015

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Articolo tecnico
Gennaio 2015 67
La sintesi e la caratterizzazione dei
rivestimenti a base di diamante hanno
suscitato un vasto interesse nel settore
della ricerca[1] e questo rivestimento
resistente all’usura può essere
agevolmente utilizzato per le filiere.
Il rivestimento ottenuto mediante la
deposizione chimica da fase vapore
assistita da filamento caldo (HFCVD)
sulla superficie del foro interno delle
filiere di trafilatura WC-Co, offre risultati
particolarmente buoni con gli stessi
vantaggi delle filiere di diamante
tradizionali, ma con prestazioni più elevate
nelle aree chiave.
Ad esempio, una durezza elevatissima
(70~100 GPa), un coefficiente di attrito
molto ridotto (~0,1), una conduttività
termica molto alta (8~20W/cm·K) e
l’inerzia chimica. Va rilevato che le
tecniche HFCVD offrono straordinari
vantaggi economici con diametri di foro
interni maggiori ove le filiere di diamante
tradizionali hanno prestazioni economiche
relativamente basse. In particolare, le
filiere di diamante nanocristallino hanno
uno straordinario successo sostituendosi
alle filiere in carburo di tungsteno e in
diamante policristallino per le applicazioni
di compattazione dei cavi di potenza in
rame e alluminio, raggiungendo diametri
interni fino a 60mm[2].
Uno dei vantaggi chiave del processo
HFCVD è rappresentato dalla produzione
di rivestimenti di diamante con una bassa
rugosità. Ciò ha sempre costituito una
grande sfida per le pellicole superficiali
di diamante policristallino tradizionali.
Siccome le pellicole di diamante sintetico
depositate mediante i processi CVD
tradizionali sono policristalline con una
alta granulometria, ciò si traduce in una
superficie molto ruvida, data l’elevata
energia superficiale del diamante. Dal
momento che il diamante è il materiale più
duro che si conosca, i metodi di levigatura
sono difficili da applicare e richiedono
molto tempo, specialmente nel caso di
pellicole di diamanti sottili. Il coefficiente
di attrito aumenta all’aumentare della
rugosità delle pellicole di diamante. Tale
rugosità superficiale non è adatta per
numerose applicazioni, specialmente
nel caso di applicazioni di trafilatura di
conduttori di alluminio che beneficiano
notevolmente dell’attrito molto ridotto
del processo e dell’elevata finitura del
prodotto, ora entrambi requisiti realizzabili
mediante le pellicole ottenute con il
processo HFCVD.
2 Preparazione
di filiere per
rivestimenti
compositi a base
di diamante
nanocristallino
(nano-dies)
Gli autori del presente articolo hanno
risolto il problema dell’elevata rugosità
superficiale dei rivestimenti a base di
diamante policristallino mediante la
deposizione di rivestimenti compositi a
base di diamante nanocristallino.
Le pellicole di diamante composite
con una superficie liscia sono state
depositate mediante un processo di
deposizione chimica a vapore in due fasi
che comprendeva prima la deposizione
del diamante policristallino ruvido
tradizionale e quindi gli strati di diamante
nanocristallino.
Sono state utilizzate come substrati
filiere al carburo di tungsteno cementato
YG6 (Co 6%), pretrattate mediante vari
metodi, come la lisciviazione del cobalto
tramite immersione in reagenti specifici
e raschiatura del substrato utilizzando
polveri di diamante[3].
Sono state depositate pellicole di
diamante tradizionale e nanocristallino in
un dispositivo CVD assistita da filamento
caldo migliorato con polarizzazione.
Sono state quindi depositate in continuo
pellicole sottili di diamante nanocristallino
in situ su pellicole di diamante tradizionale
dello spessore di 10~15μm, regolando
i parametri del processo CVD (quali
la pressione del gas, il rapporto della
miscela gassosa idrocarburo-carbonio
e l’eventuale applicazione della
polarizzazione) per migliorare in modo
significativo la nucleazione secondaria.
Le pellicole di diamante composito con
superficie liscia sono state ottenute
mediante la deposizione di strati alternati
di diamante policristallino ruvido e
diamante nanocristallino a grana fine[4].
È stato disposto un singolo filamento
rettilineo di tantalio sulla linea centrale
della filiera da rivestire (rif. Fig. 1) Il filo
di tantalio viene mantenuto rettilineo
mediante una molla ad alta temperatura
o un supporto specifico nel caso di filiere
con diametri interni molto piccoli. Un
singolo filamento rettilineo posto sulla
linea centrale della filiera può uniformare
la temperatura della superficie del
foro della filiera durante il processo di
deposizione.
Una polarizzazione a CC è stata applicata
fra il filamento e il substrato rappresentato
dalla filiera di trafilatura per migliorare la
densità di nucleazione del diamante.
▲ ▲ Figura 2: Vista in piano delle immagini SEM del rivestimento in diamante policristallino e nanocristallino
(a) (b)
▼ ▼ Figura 4: Aspetto della filiera con rivestimento
composito in diamante nanocristallino (nano-die)
▼
▼ Figura 3: Spettri di Raman del rivestimento in
diamante policristallino (nero) e nanocristallino
(rosso)
intensità (au)
numero di onda (cm-1)
pellicola sottostante di diamante policristallino (MCD)
pellicola superficiale
di diamante
nanocristallino (NCD)