CVD金刚石厚膜刀具的研究进展与应用现状

金刚石厚膜片是采用化学气相沉积的方法制备出来的一种全晶质多晶纯金刚石材料,其物理性能和天然金刚石非常接近．而化学性质则完全相同。本文对CVD金刚石厚膜刀具的研究进展、制备方法、性能特点、切削试验结果及应用前景进行了简要的综述。     

基体对金刚石厚膜质量的影响研究

采用MPCVD法在钼基体上制备金刚石厚膜,测量了等离子体发射光谱,并利用XPS、Raman和SEM对金刚石厚膜进行表征.研究了Mo原子进入金刚石中的机制及其对金刚石厚膜的影响.结果表明:除了热扩散,Mo原子还会以蒸发进入等离子体的方式进入金刚石.金刚石中的Mo原子是以Mo+4、Mo+6以及介于Mo+4-Mo+6之间的化...     

灯丝间距对CVD金刚石厚膜生长的影响

采用热丝化学气相沉积方法制备CVD金刚石厚膜,通过改变灯丝间距和增加围挡,获得生长速度7.5 μm/h,热导率1028 W/（m·K）,结构致密,无孔洞,甚至透红光的CVD金刚石厚膜。      

甲烷浓度对等离子喷射金刚石厚膜生长稳定性的影响

采用高功率直流电弧等离子体CVD工艺制备了不同厚度的无裂纹自支撑金刚石厚膜．实验中观察到在金刚石厚膜生长过程中出现了形貌不稳定性，其程度随甲烷浓度的不同而变化．从理论和实验两个方面对这种不稳定性进行了讨论，认为直流电弧等离子体的高温造成碳源高饱和度是生长不稳定性的根本原因．实验结果表明，在沉积金刚石厚膜时，为了稳定地获得高质量的厚膜，甲烷浓度不宜过高．     

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     

加氮对直流电弧等离子体喷射金刚石膜显微组织和断裂强度的影响

利用DcArcP1asmaJetcVD法制备搀杂氮的金刚石厚膜。研究了在反应气体cH。／Ar／H：中加入N!对金刚石膜显微组织和力学性能的影响。在固定H2、Ar、CH4流量的情况下改变N2的流量，即反应气体中氮原子和碳原子的变化比例(N／C比，范围从0．06～0．68)，同时在固定的腔体压力(4kPa)和衬底温度(800℃)下进行金刚石膜生长。用扫描电镜(SEM)观察金刚石膜形貌、用X射线衍射表征晶体取向，用三点弯曲的方法来测量金刚石膜的断裂强度。结果表明，氮气在反应气体中的大量加入，对直流等离子体喷射制备金刚石膜的显微组织和力学性能有显著的影响。     

CVD金刚石厚膜的机械抛光研究

化学气相沉积(CVD)制备的金刚石膜表面粗糙且厚薄不均匀,在许多情况下不能直接使用,必须对其进行抛光.本文研究了不同型号的金刚石微粉对CVD金刚石厚膜研磨的影响,通过对研磨结果的比较分析,优化出一种高质量高效率的抛光方法,即先采用W40和W28金刚石微粉,分别研磨2 h,然后用W0.5金刚石微粉研磨4 h.经扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)测试分析表明:金刚石膜的平均去除率为12.2 μm/h,粗糙度Ra由4.60 μm降至3.06 nm,说明该抛光方法能实现金刚石膜高质量、高效率的抛光.     

金刚石厚膜表面金属化及其钎焊研究

本文首先使用磁控溅射法在清洁的金刚石厚膜表面溅射Ti/Cu层,利用热的浓硫酸腐蚀表层的Cu和Ti层,获得具有合金TiC层的金刚石厚膜表面,实现金刚石厚膜的表面金属化;然后利用高频感应加热方法,以Ag-Cu-Ti混合粉末作为焊料进行金刚石厚膜的钎焊实验,主要对钎焊过程中的钎焊温度、保温时间以及焊料用量等参数进行了研究。结果表明,以60℃/s的速度加热到870℃后保温15 s,焊料用量为80μg时,金刚石厚膜与硬质合金刀具之间的焊接强度可以达到125 MPa,可以满足机械加工强度要求。     

直流电弧等离子体喷射金刚石厚膜生长不稳定性问题

采用高功率直流电弧等离子体CVD工艺制备了不同厚度的金刚石自支撑膜。观察到在金刚石厚膜生长过程中出现形貌不稳定性,并往往导致膜层组织疏松,强度降低。本文从理论和实验观察两个方面进行了讨论。生长不稳定性在任何高速沉积CVD过程中都可能发生,而直流电弧等离子体的高温造成碳源高饱和度以及高温等离子体射流对衬底表面的冲击,使之比其它CVD金刚石膜沉积工艺具有更大的不稳定生长倾向。基于实验研究结果,建议在较低的气体压力下沉积,以减小金刚石厚膜生长的不稳定性。     

氢等离子体在铁催石墨化作用下对CVD金刚石膜的刻蚀

在铁薄膜的催石墨化作用下研究了用氢等离子体刻蚀由微波等离子体化学气相沉积（MPCYD）制备的多晶金刚石厚膜的表面。其工艺为：自支撑的金刚石厚膜浸入饱和的三氯化铁水溶液中，然后平放在大气环境中干燥，将处理过后的金刚石膜放入MPCVD装置中，先用氢等离子体将氯化铁还原成铁，然后在800℃左右的温度下，利用铁对金刚石的催石墨化作用及氢等离子体的刻蚀作用将其表面刻蚀。刻蚀完后的金刚石用酸清洗，在丙酮溶液中漂洗，然后用SEM观察刻蚀效果，用Raman光谱对表面碳的结构进行了表征。最后用机械研磨法对金刚石样品表面进行研磨，并对研磨结果进行对比。实验结果表明，这种方法能够有选择地快速刻蚀金刚石膜的表面，破坏表面晶粒的完整度，降低表面耐磨性，从而提高对粗糙金刚石膜表面研磨的效率。     

金刚石薄膜涂层刀具的研究进展与应用现状

CVD金刚石是采用化学气相沉积的方法制备出来的一种全晶质多晶纯金刚石材料,它可以呈膜状附着于刀（基）体表面,亦可以是脱离基体的纯金刚石厚片。CVD金刚石的物理性能和天然金刚石非常接近,化学性质则完全相同。本文重点对金刚石薄膜涂层刀具的研究进展、切削试验结果及应用前景进行简要的综述。     

CVD金刚石厚膜刀具及应用研究

热丝CVD法沉积金刚石厚膜为全晶质纯多晶金刚石材料,是制造切削刀具的理想材料。本文针对国内外CVD金刚石厚膜焊接刀具研究与应用中存在的关键技术问题,结合我所近期相关技术研究进展,重点介绍了其制造工艺及关键技术。     

CVD金刚石膜的钎焊界面反应层及微结构

借助扫描电镜和电子探针,分析了金刚石与Ag-Cu-Ti活性钎料界面反应层的微观组织结构、界面新生化合物的形成机理以及焊接工艺条件对界面结构的影响,建立了钎焊接头界面结构物理模型.结果表明,在一定的钎焊工艺条件下,金刚石/钎料界面存在灰色的新生化合物TiC,与TiC相邻的是蜂窝状的TiCu相;接头断裂不仅仅发生在TiC相中,有时断裂也发生在TiCu层.钎焊加热温度、保温时间、钎料层的含Ti量对CVD金刚石厚膜与硬质合金的接头结构模型有重要影响.     

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.     

电蚀抛光CVD金刚石膜的实验研究

本文提出了一种新的ＣＶＤ金刚石膜抛光技术。采用该项技术,可以高效率的完成ＣＶＤ金刚石膜的粗抛光。ＣＶＤ金刚石膜表面被预先涂覆一层导电金属,然后采用电蚀方法对该表面进行加工,使金刚石膜突起的尖峰被迅速去除。加工中金刚石表面的石墨化使电蚀加工得以不断延续。通过单脉冲放电试验已经发现涂覆层的材料对金刚石膜的加工效果有很大影响。与普通金属加工相比,金刚石膜的电蚀过程有其完全不同的特征。通过试验和分析,本文还对金刚石膜的电蚀去除机理进行了初步探讨。     

CVD金刚石膜与常用红外光学材料抗砂蚀性能对比研究

目的通过分析CVD金刚石膜与几种常用红外光学窗口材料在砂蚀过程中形貌特征以及红外透过率的变化规律,获得CVD金刚石膜在砂蚀过程中的材料去除机制及抗砂蚀性能的关键因素。方法采用喷射式冲蚀磨损系统,对CVD金刚石膜及其他几种常见红外光学材料进行砂蚀性能测试。通过扫描电子显微镜对材料冲蚀后表面形貌进行观察,电子天平测量红外材料砂蚀率。采用红外光谱仪对砂蚀前后红外光学材料进行测量,评价其冲蚀前后的红外性能变化。结果 CVD金刚石膜抗砂蚀能力远高于Ge、ZnS、MgF_2以及石英玻璃。在设定测试条件下,仅经过6 s冲蚀,除CVD金刚石膜外,其余光学材料的红外透过性能下降40%~60%。而CVD金刚石经受240 min的相同条件冲蚀,其红外透过率仅下降9.5%,显示出极佳的抗砂蚀能力。结论 CVD金刚石膜的冲蚀过程主要是微裂纹形成及扩张连接导致材料流失。其他材料的冲蚀过程既有裂纹扩展,也有反复的切削、犁削,而后者是这些材料被冲蚀的主要原因。     

硬质合金基体上金刚石膜的XRD研究

采用直流等离子体射流CVD法在硬质合金 (WC + 8wt.%Co)基体上生长金刚石膜 ,主要借助XRD分析方法对CVD金刚石膜的微观结构和残余应力进行了研究 ,探讨了CVD金刚石膜中残余应力的形成及其对金刚石膜粘附性能的影响。研究结果表明 :CVD金刚石膜中通常存在GPa数量级的残余压应力 ,膜中存在适中的残余压应力 ,有利于CVD金刚石膜获得最佳的粘附性能