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。     

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。     

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金刚石硬质合金基体的表面预处理方法

开发硬质合金基体上沉积高结合强度、低粗糙度的金刚石涂层是人们非常关注的问题。制约CVD金刚石涂层工具产业化的主要因素是其与硬质合金基体间的附着力。大量实验显示,通过对硬质合金基体表面的预处理,可以提高金刚石涂层与硬质合金基体之间的附着力。本文从物理预处理法、化学预处理法和中间层法等,对硬质合金基体表面预处理后的效果做了较为系统的阐述。指出,不同的预处理方法对硬质合金基体与金刚石涂层之间的附着力影响是不一样的。     

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%。      

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.     

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。     

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。      

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。     

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.     

金刚石涂层刀具加工石墨的切削性能

为充分对比不同类型金刚石涂层刀具的切削性能,定制几种不同类型金刚石涂层刀具进行等静压石墨切削加工,并与WC硬质合金刀具和TiAlN涂层刀具的切削情况对比,分析不同类型金刚石涂层刀具的涂层形貌、切削寿命、加工后的表面质量以及切削力。结果表明:制备的金刚石涂层刀具的涂层形貌主要为纳米晶和微晶,其寿命是硬质合金和TiAlN涂层刀具的10倍以上,且几种不同类型的金刚石涂层刀具寿命差异较小;金刚石涂层表面的晶粒细化可以降低加工表面的粗糙度和切削力,涂层脱落是金刚石刀具的主要磨损形式。      

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.     

U71Mn钢轨铣削用PVD-TiAlN涂层刀片失效分析

目的分析研究PVD-TiAlN涂层刀片铣削钢轨(U71Mn)后的失效行为,确定涂层刀片铣削U71Mn的磨损机制及失效机理,为进一步改进铣削U71Mn用涂层刀片的使用性能提供指导。方法采用多弧离子镀技术在硬质合金基体刀片上制备了厚度约2.13μm的TiAlN涂层,通过扫描电子显微镜、能谱仪、金相检测仪等仪器,检测了刀片基体和涂层的显微组织和金相结构。采用立式铣床对U71Mn进行铣削,通过扫描电子显微镜观察失效刀片前刀面、刃口和后刀面的微观形貌,结合能谱仪微区成分分析,确定涂层刀片的磨损机制和失效机理。结果通过金相检测仪和扫描电子显微镜检测,YG10细晶粒硬质合金基体无明显组织缺陷。采用多弧离子镀制备的涂层膜基结合力等级为HF1,具有较好的膜基结合强度。失效刀片的刃口处存在贯穿前刀面、刃口和后刀面的裂纹,并且刃口区域的裂纹内部有被加工材料的填充物。后刀面裂纹尖端有涂层的微崩裂,前刀面的磨损带边界较后刀面磨损带边界平齐。刃口附近的涂层表面上出现了相互交联的裂纹。失效刃口多出现锯齿形缺口,缺口内部有大量的碎屑填充物,缺口对应的后刀面处分布着深浅不同的沟槽。磨损的刃口上粘接有大量的被加工材料。结论刀片的磨损机制有磨粒磨损、粘接磨损和氧化磨损。另外,刃口的崩裂在刀片失效过程中也扮演着重要角色,崩裂的缺口会为硬质颗粒提供存储空间,从而加剧磨料磨损,在多种磨损机制共同作用下,刀片刃口最终被磨耗而失效。可通过提高基体的强韧性、合理的刃口设计、改善涂层的韧性和结合力、提高涂层的抗氧化性等方面,提高涂层刀片铣削U71Mn的性能。     

金刚石膜涂层硬质合金工具研究进展及产业化前景

金刚石具有最高的硬度，极低的摩擦因数，最高的热导率和极佳的化学稳定性，因此是最理想的工具涂层材料。由于金刚石膜涂层硬质合金工具可能具有金刚石的硬度和硬质合金的强韧性的结合．因此20余年来一直受到世界各国的普遍关注。本文综述了金刚石膜涂层硬质合金的研发历史与现状，并针对目前的市场状况和未来的发展进行了评述。     

Preparation of cemented carbide diamond films by gaseous boronizing pretreatment combines with self-assembly seeding process

In order to enhance the adhesion of cemented carbide diamond film and improve the cutting performance of cemented carbide diamond coating tools. This paper was the first to combine gaseous boronizing pretreatment with self-assembly seeding process to prepare diamond films on cemented carbide substrate. It not only eliminated the negative influence of cobalt (Co), but also improved the nucleation density of diamond. The gaseous boronizing pretreatment completed the boronation of the cemented carbide in a short time and obtained the CoWB phase which effectively prevented the diffusion of Co. By application of a self-assembly seeding process with the help of [2-(Methacryloyloxy) ethyl] trimethylammonium chloride (TMAEMC) highly improved the colloidal stability of nanodiamond (ND) particles. When the concentration of TMAEMC was 5 × 10⁻⁶ mol/l, the nucleation density of diamond was the highest. Rockwell indentation shows that the combination of gaseous boronizing pretreatment and TMAEMC self-assembly seeding process significantly improved the film-substrate adhesion. The reciprocating friction test shows that the diamond films prepared by this method had low friction coefficient and excellent wear resistance. Therefore, gaseous boronizing pretreatment combines with self-assembly seeding process is an effective way to achieve strong adhesion and high cutting performance of industrial diamond coating tools.     

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。     

CVD金刚石涂层刀具切削性能与磨损机理研究

针对普通刀具切削质量差、刀具耐用度低等问题,对CVD涂层刀具制备方法及切削性能进行研究。首先以硬质合金刀具为基体通过CVD方法制备金刚石涂层,分析涂层表面形貌。然后在不同条件下进行铝合金材料的干式切削试验,分析金刚石涂层对切削力、切削温度以及工件表面粗糙度的影响规律。最后,通过对刀具磨损机理的分析,讨论涂层对刀具使用寿命的影响。研究结果表明,所制备的涂层刀具能够降低切削力和切削温度,大大提高刀具的切削性能和工件的表面质量,并能有效提高刀具使用寿命。