低表面粗糙度金刚石涂层刀具的制备

降低表面粗糙度是改善金刚石涂层刀具使用性能的有效手段.采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜,通过在沉积过程中调整工艺参数,先后在硬质合金基体上沉积了2层不同的金刚石薄膜.研究了基体位置、甲烷浓度等对薄膜表面形貌的影响.用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和压痕法对样品进行了分析测试,结果表明,该方法在保证金刚石涂层质量的同时有效降低了薄膜表面的粗糙度,表面粗糙度值Ra＜0.2 μm.     

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.     

SiC衬底金刚石薄膜的制备与性能表征

用热丝CVD法,以丙酮和氢气为碳源,在SiC衬底上沉积金刚石薄膜,提出了分步变参数沉积法制备超细晶粒金刚石复合薄膜的新工艺.结果表明,合理控制工艺条件的新工艺,对金刚石薄膜质量、形貌和粗糙度、薄膜与衬底间的附着力以及薄膜的摩擦系数有显著影响,金刚石薄膜的平均晶粒尺寸从3 μm减小到0.3 μm,拉曼特征峰显示超细晶粒金刚石薄膜特征,涂层附着力好,超细晶粒金刚石薄膜的表面粗糙度和摩擦系数值显著下降,对获取实用化的SiC在基体上沉积高附着强度、低粗糙度金刚石薄膜的新技术具有重要的意义.     

酸浸+等离子体刻蚀YG6微米-纳米金刚石复合涂层工具研究

金刚石涂层工具一直是金刚石膜工具应用研究的主流.制约其产业化的主要因素是涂层的附着力低和微晶金刚石涂层工具的加工精度差.通过对衬底的有效预处理和CVD沉积过程控制的研究,开发在硬质合金基体上沉积高结合强度、低粗糙度的金刚石涂层新技术,对于实现CVD金刚石涂层刀具高效、高精度切削加工具有重要意义.对旨在提高金刚石涂层附着力的预处理技术,本文探索了将酸蚀脱钴+等离子体刻蚀处理衬底法.利用优化的沉积工艺,在酸浸+等离子刻蚀处理的YG6刀片上沉积的两层金刚石复合膜表面粗糙度为0.13μm,附着力压痕测试临界载荷大于1500N.金刚石涂层工具的切削加工性能明显高于无涂层硬质合金工具.在加工ZAlSi12合金时,单层和两层金刚石涂层车刀片的切削寿命分别是无涂层车刀片切削寿命的21倍和28倍.     

CVD金刚石涂层硬质合金衬底预处理新方法研究

本文研究了甲醇预处理方法对硬质合金衬底表面抑制Co催石墨化作用。将甲醇预处理方法融入到传统的两步处理方法中,提出了新的两步预处理方法,通过电镜和EDX等手段对预处理后的衬底表面形貌、成分进行了分析。采用偏压增强热丝CVD(HFCVD)法,在预处理后的衬底表面成功沉积了金刚石薄膜。并以制做钻头为例,验证了两步法对复杂形状衬底的预处理及金刚石薄膜制备效果。研究结果表明:采用甲醇预处理方法能够有效抑制Co对金刚石薄膜的不利影响,新的两步预处理方法既能保证金刚石薄膜与衬底之间的附着强度,又非常适用于复杂形状整体式回转硬质合金刀具、拉拔模具等衬底,对于拓展金刚石涂层在涂层刀具领域的应用具有一定的参考作用。     

CVD金刚石涂层刀具在石材铣削中的磨损特性研究

为了揭示CVD金刚石薄膜涂层刀具在硬脆材料切削中的刀具切削性能与磨损机理,利用不同沉积参数下的金刚石涂层刀具对天然石材进行了高效铣削实验。针对金刚石涂层刀具和未涂层硬质合金刀具的磨损周期和切削性能,分析刀具切削力和工件表面粗糙度随后刀面磨损面积的变化规律,总结刀具磨损机理。实验结果表明:金刚石涂层刀具切削寿命高于未涂层硬质合金刀具;金刚石刀具的磨损周期可以分为初始磨损区、稳定磨损区和加剧磨损区3个阶段,其中甲烷浓度为1%的金刚石涂层刀具寿命较长,切削性能稳定;金刚石涂层刀具的磨损机理主要包括裂纹作用下的涂层剥落、涂层内部晶间断裂和粘结磨损,其中裂纹作用下的膜-基涂层剥落磨损为刀具失效的主要磨损机制。     

化学气相沉积金刚石薄膜刀具膜/基附着性能研究现状

CVD金刚石薄膜涂层刀具被认为是能最早实现CVD金刚石工业化应用的领域之一.目前,限制CVD金刚石薄膜涂层刀具产品大规模产业化应用的主要原因,是金刚石薄膜与硬质合金基底之间粘附性能较差.如何提高膜/基粘附性能,确保CVD金刚石薄膜涂层刀具优异性能的发挥、涂层刀具的使用寿命和加工性能,已成为材料科学工作者迫切需要解决的问题.介绍了影响CVD金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的主要因素、改善金刚石薄膜与硬质合金基体之间附着力的途径以及表征膜/基附着力的测试方法等方面的研究成果,并对提高低压气相金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的研究现状进行了分析.     

CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展

CVD金刚石涂层硬质合金刀具结合了金刚石和硬质合金的优异性能,是切削加工的理想材料,具有广阔的发展前景。当前限制CVD金刚石涂层刀具应用的主要问题是金刚石涂层与刀具基体之间的附着性能较差,其主要原因是粘接相Co对CVD沉积存在不利影响以及涂层与基体之间热膨胀系数存在较大差异。本文综述了提高界面结合强度和降低涂层表面粗糙度的方法,重点介绍了在界面添加过渡层来提高界面结合强度,并指出在硬质合金基体和CVD涂层之间添加过渡层和开发纳米CVD涂层是CVD金刚石涂层刀具今后的发展方向。     

酸浸＋等离子体刻蚀YC6微米-纳米金刚石复合涂层工具研究

金刚石涂层工具一直是金刚石膜工具应用研究的主流。制约其产业化的主要因素是涂层的附着力低和微晶金刚石涂层工具的加工精度差。通过对衬底的有效预处理和CVD沉积过程控制的研究，开发在硬质合金基体上沉积高结合强度、低粗糙度的金刚石涂层新技术，对于实现CVD金刚石涂层刀具高效、高精度切削加工具有重要意义。对旨在提高金刚石涂层附着力的预处理技术，本文探索了将酸蚀脱钴＋等离子体刻蚀处理衬底法。利用优化的沉积工艺，在酸浸＋等离子刻蚀处理的YG6刀片上沉积的两层金刚石复合膜表面粗糙度为0．13μm，附着力压痕测试临界载荷大于1500N。金刚百涂层工具的切削加工性能明显高予无涂层硬质合金工具。在加工ZAlSi12合金时，单层和两层金刚石涂层车刀片的切削寿命分别是无涂层车刀片切削寿命的21倍和28倍。     

微晶/纳米金刚石复合涂层的沉积与表征

采用偏压增强热丝CVD(HFCVD)法,通过引入惰性气体Ar,在经过甲醇新预处理方法处理后的硬质合金衬底表面成功沉积了微晶/纳米金刚石复合涂层。对金刚石复合涂层的表面形貌、成分、表面粗糙度进行了分析和研究。研究结果表明:新的预处理方法能够提高金刚石薄膜与衬底之间的附着强度。Ar的引入使得金刚石薄膜二次形核率更高,颗粒也更加细小,纳米金刚石复合涂层不但具有高的附着强度,而且具有非常低的表面粗糙度。对于拓展纳米金刚石涂层在精密加工领域中的应用具有一定的作用。     

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.     

等离子体技术在提高硬质合金工具上金刚石薄膜附着力方面的应用

金刚石薄膜具有优异的性能，作为切削工具表面的保护性涂层，可以大幅度提高工具的使用寿命以及加工精度。硬质合金是一种广泛使用的工具材料，在其表面沉积高附着力的金刚石薄膜时存在着困难。等离子体中离子、原子或分子具有高的反应活性，等离子体技术在金刚石薄膜的制备中有着广泛应用。利用等离子体技术可以极大的消除因金刚石薄膜与硬质合金基体之间存在热应力以及由硬质合金中的钴粘结剂在化学气相沉积金刚石薄膜过程中的促石墨化作用而产生的不利影响，提高金刚石薄膜与硬质合金基底之间附着力。本文综述了等离子体技术在提高硬质合金工具表面金刚石薄膜附着力方面的研究进展。     

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。     

金刚石涂层拉拔模具的制备与性能研究

本文通过在硬质合金基体表面沉积金刚石膜,制作了金刚石涂层拉拔模具。金刚石压痕仪测试显示,涂层的抗压能力达1.5 kN。扫描电镜和原子力显微镜观察结果表明,涂层颗粒的平均尺寸为0.1μm,加工后的粗糙度Ra0.1μm。用于拉制焊接金属丝和不锈钢丝,使用寿命达硬质合金模具的15~50倍。分析了金刚石涂层具有超强耐磨损能力的原因,并对该种模具的失效机理进行了初步研究。     

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。     

金刚石膜剥落后硬质合金基体的表面形态

采用ＳＥＭ,ＦＴ－Ｒａｍａｎ,ＸＲＤ和ＥＤＸＡ对ＣＶＤ金刚石膜自发剥落后的ＹＧ８硬质合金基体表面的形貌、相结构和微区化学成分进行了表征,结果表明,该表面上存在石墨碳相,呈针片状;沉积金刚石膜后基体表面的ＷＣ颗粒显著细化,表层Ｃｏ含量仍很低。     

An effort to enhance adhesion of diamond coatings to cemented carbide substrates by introducing Si onto the interface

For diamond-coated cemented carbide cutting tools, adhesion of the coatings remains to be a problem. This problem originates from the fact that the adhesion mechanism of the coating–substrate system is mechanical in nature and hence the adhesion of the coatings is ordinarily weak. As an effort to improve adhesion of diamond coatings to the substrates, Si was introduced into the diamond chemical vapor deposition (CVD) process, in order to produce a chemically active glue interface between the diamond coatings and the substrates. Preliminary results showed that by introducing a nontoxic precursor, octamethylcyclotetrasiloxane (D₄), and under normal microwave plasma CVD conditions, Si could be made concentrating onto the interface, benefiting the improvement in adhesion of the diamond coatings.     

孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石涂层工艺研究

为提高金刚石涂层和基底的结合力,采用化学气相沉积方法在普通硬质合金和孕镶金刚石硬质合金基底上分别沉积金刚石涂层,并通过扫描电镜、拉曼光谱和压痕分析对比研究其结合性能。结果表明:在孕镶金刚石硬质合金基底上可以实现金刚石的同质与异质外延生长;在孕镶金刚石硬质合金基底上沉积的金刚石形核率高,晶形大小均匀,涂层表面平整;孕镶金刚石基底金刚石涂层的结合力优于硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的结合力。在孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石膜可扩大金刚石涂层的应用范围。      

实验参数对金刚石薄膜内应力的影响研究

采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硬质合金基体上制备金刚石薄膜涂层,采用SEM观察金刚石薄膜形貌,采用Raman光谱法分析制备的金刚石薄膜与基体的内应力。变化丝基间距、偏流、碳浓度等参数,通过测定拉曼光谱单一谱峰的位移Δω计算涂层的内应力,从而得到制备内应力较小的金刚石膜的工艺参数范围。