离子溅射新型类金刚石Ta-C涂层的性能及应用研究

发布时间：2020-08-24 08:52

【摘要】：类金刚石涂层是一种亚稳态的非晶碳膜,其主要是由不同含量的sp~3、sp~2键组成。因为其具有硬度高、耐磨性好、弹性模量高以及摩擦系数低等与金刚石类似的性能,从而很多场合代替金刚石使用,可以用来降低生产成本。类金刚石涂层根据sp~2和sp~3含量不同可以分为Ta-C涂层(无氢类金刚石涂层)和氢化类金刚石涂层,Ta-C涂层的sp~3键(80%~90%)高于氢化类金刚石涂层,其主要成分为四面体碳(Tetrahedral Carbon)。本文以YG10C硬质合金为基体材料,Ti为打底层,改变Ta-C涂层制备过程中氩离子刻蚀时间、石墨靶溅射时间研究其对涂层硬度、厚度、结合强度、摩擦性能的影响,并通过研究选取较优的氩离子刻蚀时间和石墨靶溅射时间工艺参数制备Ta-C涂层刀具进行现场切削运用,与目前运用较广泛的氢化类金刚石涂层刀具进行对比切削,验证本研究中工艺参数的优劣。主要研究工作概括如下:1.硬质合金基体表面Ta-C涂层的制备及性能表征研究。以99.9%纯度Ti靶和99.9%纯度石墨靶为原材料,在氩气环绕的低温炉腔内运用离子溅射技术在硬质合金表面制备了不同工艺参数的Ta-C涂层。采用扫描电镜、光学显微镜、球磨仪厚度测量仪、维氏硬度计、拉曼光谱仪以及压痕仪器对Ta-C涂层的表面形貌、厚度、硬度以及结合强度进行了表征。实验结果表明:经上述仪器测试氩离子刻蚀30min、石墨溅射时间55min时制备的Ta-C涂层综合性能较优,维氏硬度可以达到8870HV,通过压痕实验测得其在硬质合金基体上的附着强度达到HF1。该研究内容为Ta-C涂层的进一步应用奠定了一定的理论基础。2.Ta-C涂层的在干摩擦条件下的性能研究。在硬质合金基体表面制备的Ta-C涂层与氧化锆陶瓷珠对磨材料采用UMT-3往复运动摩擦试验机研究干摩擦条件下Ta-C涂层的摩擦学性能,并采用拉曼光谱仪对Ta-C涂层以及经过摩擦磨损实验之后的氧化锆对磨副表面进行测试。实验结果表明:石墨靶溅射55min时制备的Ta-C涂层摩擦系数较低达到0.13,对磨副表面形成了石墨转移膜,对Ta-C涂层起到了润滑作用。3.Ta-C涂层的应用研究。首先对比在氩离子刻蚀30min下,石墨靶不同溅射时间制备得到的Ta-C涂层的切削运用,然后将石墨靶溅射时间制备得到的切削性能较优的Ta-C涂层刀具与氢化类金刚石涂层刀具进行干式切削效果对比。以2A50铝合金作为切削实验材料,切削实验以VMC-1000ΙΙ机床为载体。结果表明:石墨靶溅射时间为55min时制备的Ta-C涂层切削运用效果较好,工件平均粗糙度达到0.692μm。与氢化类金刚石涂层刀具对比,Ta-C涂层铣刀较氢化类金刚石涂层刀具使用寿命提高2倍以上。
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

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图 1.1 类金刚石的三元相图Fig1.1 Ternary phase diagrams of diamond-like carbon石涂层的制备方法和机理石涂层具有和金刚石性能许多相似之处，如高硬度、高弹性模量、抗热震性等特点，具有广阔的应用前景。对类金刚石涂层制备技术

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图 1.2 离子束沉积装置示意图Fig1.2 Schematic diagram of ion beam deposition device法（如图 1.3 所示）：放电使碳电离产生高纯碳等离离化率高、离子纯度高、能产生几乎所有金属的等以沉积获得平滑致密并且与基体结合良好的涂层，

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溅射沉积法示意图

【参考文献】