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.     

金刚石薄膜涂层钻头加工高硬度钢的实验研究

为提高金刚石薄膜涂层的韧性，避免金刚石薄膜涂层脆性断裂，以自贡硬质合金厂生产ZK-10型号硬质合金钻头为基体，采用厚度大约为3μmTiC作为过渡层，在表面涂覆4μm～5μm厚度的金刚石薄膜制成金刚石薄膜涂层钻头。用于加工硬度为HRC61的经热处理的GCrl5钢板，分别与未涂层硬质合金钻头、TiC-TiN涂层钻头对比，结果表明，金刚石薄膜涂层钻头由于加工速率高，摩擦发热量少，有效地避免了铁元素在高温下将金刚石转化石墨的作用，结果使用寿命比未涂层硬质合金钻头提高10倍以上，同TiC-TiN涂层钻头相比，初期加工性能明显优越，加工速率成倍数提高．但使用过程中，性能衰减更快，导致总体使用寿命同TiC-TiN涂层钻头相差不大。在表面喷砂处理中，金刚石薄膜涂层大部分易于脱落，剩余部分呈岛状分布，说明金刚石薄膜与基体的结合力分布很不均匀，这可能与金刚石薄膜的形核过程密切相关。     

金刚石薄膜与WC-Co硬质合金结合力的改善

利用SEM,XRD研究了Murakami溶液和H2等离子体处理对硬质合金表面形貌、物相结构的影响,并对硬质合金工具进行了复合金刚石薄膜涂层,采用压痕法和实际钻削实验检测了金刚石薄膜／基体间的结合力．结果表明,微米／纳米复合金刚石薄膜涂层分布均匀,具有低的表面粗糙度,Murakami溶液处理硬质合金可产生均匀的表面沟槽,其金刚石薄膜与基体间的临界载荷约为1．5kN,而用该方法制备的涂层钻头加工性能很差,H2等离子体处理促进了硬质合金基体表面的WC晶粒更加粗大、致密,其临界载荷超过1．5kN,用该方法制备的涂层钻头的加工性能优良。     

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.     

脱钴预处理对金刚石/硬质合金附着性能的影响

采用不同的两步处理方式浸蚀YG3和YG6低钴硬质合金基体表面，随后在热丝化学气相沉积装置上沉积了金刚石薄膜，分别用扫描电子显微镜、能谱仪以及洛氏硬度计对样品进行了分析检测。结果表明先采用Murakami剂30min腐蚀碳化钨相，再用3H2SO4 7H2O230s混合酸去除钴相，样品金刚石薄膜形核密度高，结晶质量较好，金刚石涂层与硬质合金基体结合良好。同一处理工艺，YG6系列样品处理效果更好。基体钴含量的降低对改善硬质合金与金刚石涂层间的附着性能有利。     

金刚石涂层用低钴硬质合金基体表面二步浸蚀法的研究

研究了先用Murakami剂浸蚀WC相，再用（H2O2＋H2SO4）酸混合液除去o相的2步法浸蚀YG6硬质合金基体表面预处理的过程，并在浸蚀过的硬质合金基体上，用热丝法沉积了金刚石薄膜，结果表明：2步浸蚀法可在基体表面深度为6μm-12μm的范围内，使Co含量从6％降低到0．54％－3．22％，并使硬质合金基体的表面粗糙度增加到Ra=1.0μm，但会导致硬质合金基体表面的硬度从89．9HRA降低至88．1HRA，在该硬质合金基体沉积金刚石薄膜之后，发现金刚石薄膜试样的组织结构具有明显的｛111｝面取向，金刚石涂层与硬质合金基体具有较高的粘结强度。     

硬质合金成形铣刀的金刚石涂层热应力分析

针对B212型YG6硬质合金成形铣刀片,采用热丝化学气相沉积的方法,在其上沉积微米级金刚石薄膜。采用有限元分析的方法,研究成形铣刀片金刚石涂层的制备工艺,对热载荷作用下的金刚石薄膜和硬质合金基体间的热应力进行数值模拟计算,分析主要沉积工艺参数对金刚石涂层热应力的影响;采用扫描电镜、拉曼光谱及压痕实验等表征方法验证刀片不同部位金刚石薄膜的热应力特性。结果表明:较低的生长温度和较大的厚度有利于金刚石薄膜热应力的降低;在现有的制备条件下,保持沉积温度750℃基本恒定,沉积6 h后,薄膜厚度约为10μm,金刚石薄膜热应力较低,沉积质量较好,表现出良好的附着力,附着强度介于600 N和1000 N之间。     

微波等离子体刻恂对WC—Co硬质合金基体金刚石薄膜附着力的影响

金刚石薄膜的附着力是影响CVD金刚石涂层刀具切削性能的关键因素,本文采用EACVD法在硬质合金（YG6）基体上沉积金刚石涂层;用Ar-H2微波等离子WC－C0衬底进行刻蚀处理,以改变基体表面与金刚石涂层间的界面结构,提高金刚石涂层的附着力;采用压痕法评估涂层附着力,借助SEM等观察刻蚀预处理方法对膜基界面的影响,并对此进行分析和讨论。     

YG6金刚石涂层刀片衬底真空渗硼预处理新技术研究

本文研究了真空渗硼预处理硬质合金基体的表面组织、形貌、粗糙度，并在处理过的YG6刀片基体上，用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积金刚石薄膜涂层。结果表明，真空渗硼预处理不仅可以有效的消除或控制钴在金刚石沉积时的不利影响，而且，还显著粗化硬质合金基体表面。因此，提高了金刚石薄膜的质量和涂层的附着力。     

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.