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%。      

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。     

植晶工艺对金刚石涂层硬质合金刀具切削性能的影响

金刚石涂层刀具在高精与硬脆材料加工方面有着巨大的应用潜能。本文研究了纳米金刚石粉超声处理的植晶工艺对金刚石涂层/硬质合金刀具的影响因素。分别对比了传统两步法处理、纳米金刚石粉超声处理、优化超声处理三种预处理效果。采用热丝CVD设备生长CVD金刚石涂层,扫描电子显微镜(SEM)、和拉曼光谱仪(Ramanspectrum)分别用于表征沉积金刚石涂层前后的基底表面形貌及其涂层质量。最后,利用铣削测试研究了所制备的涂层刀具的切削性能。结果表明,三种预处理后的硬质合金表面金刚石取向以及质量相似。经纳米金刚石粉超声后的硬质合金刀具表面生长了很多金刚石"生长瘤",再经酒精超声处理,可消除涂层前刀片表面团簇体,避免瘤的产生,其刀具加工效果得到了较大的提高。     

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.     

WC—8．0％Co基底上微波等离子化学气相沉积金刚石膜

了基片预处理和工艺参数对微波等离子化学气相沉积金刚石涂层WC－8．0％Co刀质量的影响,研究了提高成核密度和沉积速率的方法,用SEM,XRD,激光Raman光谱分析了金刚石涂层质量,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,在1：3的稀盐酸中酸洗15min后氨水浸泡10min的基片处理方法能有效地抑制金属钴的溢出,从而提高金刚石涂层的质量,并且使刀具使用寿命提高10倍以上。     

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。      

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。     

硬质合金工具的耐磨金刚石涂层

为了改善硬质合金刀具的耐磨性，采用U．S．E^TM工艺生产了高性能的多晶金刚石涂层。通过对WC-6Co％基体表面进行了预处理使得金刚石涂层与基体通过机械夹持作用产生很强的粘附力。用气蚀试验研究了微米结构和纳米结构的多晶金刚石膜的磨损性能。研究了金刚石结构(形态、晶拉度和晶粒取向、粗糙度)、涂层厚度以及涂层与界面之间的粘附性能对磨损机理的影响。在金刚石涂层工具的寿命和使用性能方面，纳米晶金刚石结构在工业应用上显示了很大的潜力。具有平滑表面的纳米结构金刚石比微米结构金刚石更适合做合适的基体(甚至形状复杂的预成形件)的涂层材料。通过增加涂层厚度，强度和断裂韧性等综合性能较好的薄膜(3μm)其优异的耐磨性能进一步提高。     

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。     

晶向对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响

基于分子动力学方法,建立了[100]、[110]、[111]三种常见沉积晶向的硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型。采用Morse势函数、Tersoff势函数以及LJ势函数相互耦合的方法,对模型原子间的相互作用进行了精确表征,借助分子动力学仿真软件Lammps对以上模型的力学性能进行了仿真分析。结果表明:沉积晶向为[100]的金刚石涂层膜基界面拉伸强度最大,[111]晶向次之,[110]晶向最小,并且弹性模量值随涂层晶向的变化规律与之趋同。     

三步酸蚀去钴对金刚石薄膜附着力影响的研究

用热丝化学气相沉积(HFCVD)制备金刚石薄膜涂层之前,采用两步酸腐蚀和三步酸腐蚀对WC-Co硬质合金(YG6)基体表面进行去Co预处理。SEM形貌观察、X射线衍射谱和EDAX能谱分析都表明,与两步腐蚀方法相比,三步酸腐蚀处理表面去Co效果更加好,沉积金刚石薄膜的压痕图更证实其对涂层质量的改善,并且该方法可以减少预处理时间,更适宜于工业生产。     

碳源浓度对CVD金刚石涂层质量的影响

在自制不锈钢钟罩式HFCVD设备上,以CH3COCH3和H2为气源,采用热丝CVD法在经过碱酸两步法预处理后的YG6硬质合金基体上制备了微米金刚石涂层;利用扫描电镜、Raman光谱仪、洛氏硬度计、维氏硬度计检测涂层的形貌结构、成分、附着性能和硬度,着重考察了碳源浓度对涂层质量的影响。结果表明过低碳源浓度造成涂层晶粒间存在缝隙,而过高的碳源浓度会使涂层晶粒细化,同时非金刚石相成分增加。以两步法工艺预处理基体,当碳源浓度为2%、沉积功率为4 kW、反应气压3 kPa、衬底温度为800℃、热丝基体距离为5 mm时,经4 h生长,可获得厚度为5.36μm、平均硬度HV为8 143.09、平均粒径1~2μm、纯度高、附着性能良好的微米金刚石涂层。     

Enhancing the adhesion of diamond films on cobalt-cemented tungsten carbide substrate using tungsten particles via MPCVD system

To increase the adhesion of diamond films and avoid the negative effects of using cobalt, previous treatments have employed tungsten particles to cover the surface of the 6 wt.% cobalt-cemented tungsten carbide (WC-Co) substrate. The surface of the tungsten particles is transformed into W₂C and WC, which attracts and traps carbon. Through the process of nucleation, the carbon forms around the tungsten particles, thereby satisfying the conditions necessary for the formation of diamond film. Using Raman spectroscopy, we determined that diamond films of good quality with excellent adhesive properties and a hardness level as high as 27.78 GPa could be produced following pretreatment with 2.0 μm tungsten particles. Rockwell indentation tests indicate that addition of tungsten particles promotes the interfacial adhesion of diamond films with WC-Co substrates. We determined that using smaller tungsten particles decreased the number of gaps and cavities on the surface of the substrate, thereby enhancing the adhesion of the diamond film.     

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.     

泡沫铜表面改性对化学气相沉积高质量泡沫金刚石的影响

目的选择合适的过渡层材料改善三维连通泡沫铜衬底与金刚石之间的结合性,制备出三维连通结构的泡沫金刚石。方法选择三维连通的泡沫铜作为衬底,使用磁控溅射技术在其表面沉积Ti、Cr过渡层,然后通过热丝化学气相沉积技术(HFCVD)在表面改性后的泡沫铜衬底上沉积金刚石涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、拉曼光谱仪及红外热成像仪等仪器,对样品的表面/截面形貌、成分结构及热扩散性能进行检测与分析。结果经过Ti、Cr过渡层改性后,泡沫铜表面均能沉积出连续致密的高质量金刚石涂层,在相同的CVD沉积参数下,Cr过渡层泡沫金刚石(Cu-Cr/Dia)的晶粒尺寸更大(~5μm),晶粒质量更高,且膜层厚度大于Ti过渡层泡沫金刚石(Cu-Ti/Dia),Cu-Ti/Dia与铜衬底的结合性要优于Cu-Cr/Dia。Cu-Cr/Dia和Cu-Ti/Dia的热扩散性能均优于泡沫铜,其中Cu-Cr/Dia的热扩散能力略高于Cu-Ti/Dia。结论镀覆Ti、Cr过渡层有效增强了金刚石与泡沫铜衬底之间的界面结合,成功制备了三维连通结构的泡沫金刚石。     

灯丝／基体距离对金刚石涂层质量的影响

热丝CVD法金刚石膜生长中基体温度对金刚石薄膜的质量有很大的影响,而基体与灯丝的距离决定着基体沉积温度的高低。本实验采用单一变量法,在其它工艺参数不变的情况下,研究不同基体与灯丝距离对CVD金刚石涂层的质量的影响。采用扫描电镜、Raman光谱、洛氏硬度计对试样的表面形貌、成分和涂层与基体的结合力进行泓定。结果表明,当采用两步法基体预处理,在碳源体积浓度为2％、沉积气压为3kPa、反应功率为4kW时,得到最优金刚石涂层质量的热丝与基体的距离为5mm。     

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。