热丝CVD金刚石薄膜涂层工具的制备技术及应用研究

本文通过电子增强热丝CVD方法在硬质合金基体上沉积金刚石薄膜 ,对硬质合金基体进行酸洗、表面研磨处理后用气相沉积方法沉积约 1μm厚的金属W膜层 ,在形核初期采用逐渐升高的偏流以去除表面形成的非晶C膜 ,并增加金刚石的形核密度和增强W的扩散作用 ,形成多种W -C化合物以增强金刚石薄膜与硬质合金基体的结合力 ,通过这种工艺制备了与基体结合力良好的金刚石薄膜。采用两种途径制备金刚石薄膜涂层工具 ,其一为在YG6硬质合金圆片上沉积约 80 μm的金刚石薄膜 ,经激光切割成 6mm× 6mm的合金片 ,用砂轮抛光 ,焊接在钢制刀柄上 ,经刃磨后制作成木工工具刀头 ;另一是直接在YG6硬质合金钻头这种复杂形状工具上沉积约 10 μm厚的金刚石薄膜制成金刚石工具。对两种工具分别进行使用性能测试 ,木工工具用于加工Al2 O3 复合木地板 ,测试结果表明金刚石薄膜涂层木工工具与硬质合金工具相比 ,使用性能有明显提高 ,寿命提高一倍以上 ,但由于刀刃后角处无金刚石层保护 ,使用中出现明显的后角磨损 ,未能达到理想效果 ;金刚石涂层钻头用于加工硬质合金时在使用初期有明显效果 ,但由于磨损很快 ,使用寿命低 ,经观察分析 ,主要是由于金刚石膜晶粒粗大造成表面光洁度不高 ,使用中刀刃处的金刚石薄膜涂层易于出现应力集中     

高钴硬质合金基底上化学气相沉积金刚石膜的研究

通过采用二步浸蚀法对硬质合金(WC-Co12％)刀具进行预处理，应用微波等离子化学气相沉积装置，在经二步浸蚀法预处理过的硬质合金上沉积出高质量和结合力强的金刚石涂层。研究了提高涂层附着力的基体预处理方法，用SEM、XRD、激光Raman光谱分析了涂层质量，用切削试验检测金刚石涂层与刀具基底的附着情况，结果表明二步浸蚀基体预处理方法能有效地降低基体表面金属钴的含量，消除沉积过程中Co的负面影响，从而提高金刚石涂层的附着力，使刀具使用寿命明显提高。     

硬质合金基底表面线缺陷对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,研究了不同硬质合金基底线缺陷率下的金刚石涂层膜基界面结合强度。通过建立[111]、[110]、[100]3种不同晶向的金刚石涂层膜基界面分子模型,研究了硬质合金基底线缺陷率对涂层膜基界面结合强度的影响以及[111]、[110]、[100]3种不同金刚石涂层晶向下的最优膜基界面结合强度。研究结果表明:硬质合金基底的表面能随着基底线缺陷率的增加而逐步增大;当线缺陷率ρ=12.5%时,基底表面能达到最大值;其后,随着基底线缺陷率继续增大,基底表面能逐渐呈减小趋势。进一步研究显示,不同晶向的金刚石涂层膜基界面的最优界面结合能的最优线缺陷率不同,[111]晶向和[110]晶向的金刚石涂层的最优基底线缺陷率均为6.25%,而[100]晶向金刚石涂层的最优基底线缺陷率则为0%。      

基于孕镶金刚石颗粒的硬质合金基底的预固晶预处理新方法

为进一步提高孕镶金刚石颗粒的硬质合金基底上金刚石涂层的质量，提出了“预固晶”预处理新方法，即对基底附着钛粉后引晶，并通过微波进行预结合处理。借助SEM电镜、拉曼光谱分析、压痕试验等对比该方法与常规方法所制备的金刚石涂层质量及其结合性能。结果表明:预固晶预处理后，低温下金刚石形核密度较常规预处理的提高约1.5倍，涂层的均匀性和平整性明显提高；借助拉曼光谱分析可见，金刚石纯度指标及结晶度指标改善约30%，涂层内应力降低一半以上；压痕对比试验证明其结合强度得到了一定程度改善。      

化学气相沉积金刚石膜工业应用

成果成熟程度 已经解决在硬质合金衬底上生长均匀致密、附着 良好的金刚石膜的技术 成果的特点 金刚石薄膜涂层硬质合金工具由于性能优异、成 本相对较低(与PCD和金刚石厚膜钎焊工具相比)、可 以适应于复杂形状工具衬底沉积、以及可能大批量沉 积等优点,具有非常好的市场前景. 金刚石薄膜涂层硬质合金工具开发的关键是解决 金刚石薄膜在硬质合金衬底上的生长(沉积)和良好附 着的技术.本项目成果采用独特的衬底预处理和优化 的金刚石膜沉积工艺已经解决了Co对金刚石膜生长 和附着的有害影响问题.在YG类硬质合金工具衬底 所沉积的金刚石膜涂层厚度最大可达20～30μm.用洛 氏硬度压痕法评定的金刚石膜附着力时的无裂纹临界 载荷达1500N以上.在铣削A1-12wt%Si合金时,金 刚石薄膜涂层的YG6铣刀比未涂层硬质合金刀片使 用寿命可提高13倍以上.     

硬质合金CVD金刚石涂层最新进展

金刚石因具有优异的物理化学性能被认为是理想的刀具材料。硬质合金基底上涂覆CVD金刚石薄膜有利于改善刀具的加工性能和寿命,但涂层和基底之间存在热膨胀系数差异以及合金中Co对沉积有不利影响,使得薄膜附着力较差。本文综述了近几年来各种提高CVD金刚石涂层刀具切屑性能的方法,从提高薄膜附着力和改善金刚石膜的质量两个方面进行了讨论。并介绍了国外较先进的CVD金刚石涂层刀具的应用,随着技术的不断成熟,CVD金刚石涂层将会有更为广泛的应用。     

不同沉积功率对CVD金刚石涂层性能的影响

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD),固定其他工艺参数,通过改变沉积功率在YG6硬质合金上制备金刚石涂层,并利用扫描电镜(SEM)、洛氏硬度计和Raman光谱对涂层进行性能测试。结果表明:两步法处理硬质合金基体,可以有效去除表层的Co,同时增大表面粗糙度,提高金刚石形核率,提高涂层附着力;涂层表面形貌观察可知,沉积功率4kW时,晶形完整,晶粒大小非常均匀致密,晶面主要呈现金刚石典型的(111)面生长;压痕测试表明,当功率为4kW时,涂层的结合力最好,表面均匀、平整;结合Raman光谱分析,功率4kW时,涂层质量很好。     

沉积温度对硬质合金金刚石涂层附着力影响的研究

采用压痕实验、扫描电镜与激光Raman光谱分析,实验研究了酸浸硬质合金基底上金刚石涂层的附着力随沉积温度的变化.结果表明,涂层质量随沉积温度降低而显著恶化,涂层应力则随沉积温度提高而上升.从提高涂层附着力的角度考虑,存在一个最佳沉积温度.在较低的沉积温度下,涂层自身的质量较低、力学性能较差,在载荷作用下易于破坏.提高沉积温度,涂层自身的质量可得到改善,但基底中的钴向基底表面扩散的倾向加大,而且热应力增大,会严重降低涂层与基底的附着力.除硬质合金基底的预处理工艺外,沉积工艺对金刚石涂层的组织、性能以及附着力均有重要影响.     

沉积温度对硬质合金金刚石涂层附着力影响的研究

采用宝痕实验、扫描电镜与激光Ｒａｍａｎ光谱分析,实验研究了酸浸硬质合金基底上金刚石涂层的附着力随沉积温度的变化。结果表明,涂层质量随沉积温度降低而显著恶化,涂层应力则随沉积温度提高而上升。从提高涂层附着力的角度考虑,存在一个最佳沉积温度。在较低的沉积温度下,涂层自身的质量较低、力学性能较差,在载荷作用下易于破坏。提高沉积温度,涂层自身的质量可得到改善,但基底中的钴向基底表面扩散的倾向加大,而且热应力增大,会严重降低涂层与基底的附着力。除硬质合金基底的预处理工艺处,沉积工艺对金刚石涂层的组织、性能以及附着力均有重要影响。     

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况.用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果.     

Adherent coating on gradient cemented carbide with ultrafine Ti(C_(0.5),N_(0.5))

Gradient cemented carbide is usually employed as the substrate for coated carbide insert. In this work,gradient cemented carbide with ultrafine Ti(C_0.5,N_0.5) was prepared and its microstructure and properties were researched. Moreover, this novel substrate was coated to investigate cutting performance. It is found that the average WC grain size in the gradient zone is larger than that in the bulk. Owing to ultrafine Ti(C_0.5,N_0.5) introduction, gradient cemented carbide prepared by vacuum sintering exhibits full densification. By contrast, the gradient cemented carbide with ultrafine Ti(C_0.5,N_0.5) shows higher transverse rupture strength(TRS) and hardness than the homogenous one. Gradient cemented carbide suffers small TRS reduction after coating, and the bonding between coatings and gradient substrate is tidy and compact. The coated gradient cemented carbide shows much better endurance and impact resistance than the coated homogenous one. It confirms the superiority of gradient cemented carbide when used as the substrate for coating inserts.     

钛过渡层与硬质合金基体表面结合状况对金刚石薄膜附着力的影响

以WC-6％Co为基体，采用磁控溅射法，在原始试样、酸腐蚀试样以及酸蚀后进行氢等离子体脱碳处理的试样上制备Ti过渡层，然后碳化过渡层为TiC。在热丝化学气相沉积装置中，制备金刚石薄膜。研究三种不同试样上的金刚石薄膜与基体的附着力。结果表明，在原始试样上的金刚石薄膜在冷却过程中自动脱落；在经等离子体处理后的试样上，金刚石薄膜与基体间附着力高于在经酸蚀处理的试样上的金刚石薄膜与基体附着力。造成这种现象的主要原因可能是等离子体脱碳还原处理降低WC晶粒表面能，增强Ti与WC间的结合强度，导致TiC过渡层与WC基体结合强度增加，从而增加金刚石薄膜附着力。     

影响CVD金刚石涂层工具界面结合强度的因素及改进措施

化学气相沉积法制备金刚石涂层硬质合金工具综合了金刚石与硬质合金的优异性能,广泛应用于切削难加工材料。金刚石与硬质合金基体界面结合强度是评价金刚石涂层的一个重要性能指标。本文主要介绍了影响CVD金刚石涂层工具界面结合强度的主要因素,并对如何提高其界面结合强度的方法进行了较深入的探讨,同时科学论述了金刚石涂层结构的优化设计理念,以解决金刚石涂层附着强度低、表面粗糙度高等关键技术,这对如何提高硬质合金基体与金刚石涂层之间的界面结合强度具有一定的实际指导意义。     

Microstructure and properties of CVD coated on gradient cemented carbide with different WC grain size

In this paper, cemented carbides with gradient surface enriched in Co phase and depleted of cubic phases were prepared by one-step vacuum sintering. The gradient cemented carbides of different WC grain size were used as the substrates of CVD coatings. The effects of WC particle size on the formation of gradient layer, microstructure and properties of the gradient cemented carbides were investigated. Besides, the influence of WC grain size and gradient layer on microstructure, growth and adhesion strength of the coatings were studied. The results showed that the thickness of surface gradient layer decreased with increasing WC particle size, which was attributed to the decreased diffusion paths and the increased diffusion distance. The interface between the surface gradient layer and the bulk was disordered due to abnormal grain growth of WC in ultrafine cemented carbide. The microhardness across the direction of the fcc-free (Face Center Cubic Free) surface layer to the bulk were similar in the three gradient cemented carbides, and could be expressed as: from the surface to the inner, the microhardness decreased firstly, then increased sharply around the interface, and subsequently dropped to the bulk level. The coating on the fcc-free surface layer was thicker than that on bulk, and the coating on the substrate with fine-sized WC grains is the thickest. The increase of the WC grain size in the substrate could improve the bonding strength of the coating. Furthermore, the presence of Co-rich layer could improve the bonding strength. However, bonding strength was poor for the grain size of ultrafine.     

脉冲电压幅值对等离子体化学气相沉积TiN薄膜膜基结合行为的影响

用工业型脉冲等离子体化学（ＰＣＶＤ）设备。在高速钢（Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ）和钴基硬质合金ＳＣ３０基材表面沉积了ＴｉＮ薄膜,用扫描电镜（ＳＥＭ）和连续加载压入仪研究了脉冲电压幅值对膜基结合行为的影响,结果表明：随脉冲电压在５５０－７５０Ｖ之间逐渐增大,ＴｉＮ晶粒增大,膜层脆性增加,沉积速率提高。但膜层结合力下降：在６５０Ｖ以下膜基界面有一伪扩散层出现,通过６５０Ｖ后伪散层消失,这是改善膜基结合行为的关键因     

金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理研究新进展

从孔隙的形成、界面非金刚石物的形成以及较高残余应力等3个不利方面,分析和综述了影响金刚石涂层与硬质合金基体粘结性的主要因素。着重对浸蚀基体表面除去Co相或浸蚀WC相,在基体与涂层之间形成中间过渡层或中间化合物,基体表面机械或热处理等硬质合金基体表面预处理,改善涂层与基体粘结性的3种方法和途径进行了阐述。     

Mechanism and prediction of failure of diamond films deposited on various substrates by HFCVD

Diamond films were deposited on the WC-Co cemented carbide and Si3N4 ceramic cutting tool substrates by hot-filament-assisted chemical vapour deposition. The adherence property of diamond films was estimated using the critical load (Pcr) in the indentation test. The adhesive strength of diamond films is related to the intermediate layer between the film and the substrate. Poor adhesion of diamond films to polished cemented carbide substrate is owing to the formation of graphite phase in the interface. The adhesion of diamond films deposited on acid etched cemented carbide substrate is improved, and the peeling-off of the films often happens in the loosen layer of WC particles where the cobalt element is nearly removed. The diamond films' adhesion to cemented carbide substrate whose surface layer is decarbonizated is strengthened dramatically because WC phase forms by reaction between the deposited carbon and tungsten in the surface layer of substrates during the deposition of diamond, which results in chemical combination in the film-substrate interface. The adhesion of diamond films to silicon nitride substrate is the firmest due to the formation of chemical combination of the SiC intermediate layer in the interfaces. In the piston-turning application, the diamond-coated Si3N4 ceramic and the cemented carbide cutting tools usually fail in the form of collapsing of edge and cracking or flaking respectively. They have no built-up edge(BUE) as long as coating is intact.As it wears through, BUE develops and the cutting force on it increases 1 - 3 times than that prior to failure. This can predict the failure of diamond-coated cutting tools.     

热丝CVD金刚石涂层膜基界面结合强度研究新进展

硬质合金基体金刚石涂层工具产业化应用的主要障碍之一在于涂层的膜基界面结合强度较差,易引发涂层早期脱落。提高膜基界面结合强度、保证刀具正常使用寿命,已成为金刚石涂层工具产业化亟待解决的主要问题。我们介绍了近年来在提高硬质合金基体金刚石涂层膜基界面结合强度方面所取得的一系列研究新进展,并提出了进一步改善其膜基界面结合强度的新思路,以促进热丝CVD金刚石涂层工具的产业化应用。