基于石材加工的金刚石涂层刀具涂层制备及性能分析
发布时间：2021-10-24 07:09
金刚石以硬度高、摩擦系数低、热导率高及耐腐蚀性好等特性,在工业领域得到了广泛的应用。CVD金刚石涂层刀具是一种新型的切削刀具,在硬质合金成型刀具的基础上,利用化学气相沉积的方法沉积一层金刚石涂层,目的是提高刀具的耐磨性和表面硬度。将CVD金刚石涂层刀具用于石材加工,可以提高加工石材表面的精度及加工效率,在一定程度上延长刀具的使用寿命。本文主要研究金刚石涂层刀具的制备,并将制备的金刚石涂层刀具应用于石材（汉白玉）加工中,为了提高石材加工中刀具的使用寿命。根据以上研究背景,本文利用热丝化学气相沉积技术在硬质合金基片及硬质合金刀具表面制备金刚石单层涂层,对表面形貌、表面成分和刀具切削性能进行了研究,并对热丝化学气相沉积制备梯度膜进行一定的探索,本文的主要研究内容如下:（1）研究了热丝化学气相沉积硬质合金基体金刚石涂层的工艺。采用热丝化学气相沉积法（HFCVD）在硬质合金基片表面制备不同碳源浓度金刚石涂层。结果表明:1%碳源浓度与2%、3%碳源浓度金刚石涂层相比,晶粒尺寸较大、sp2键少,<111>晶面特征峰强度高,晶粒取向呈现微米晶金刚石。3%碳源浓度金刚石涂层典型<111...
【文章来源】：沈阳建筑大学辽宁省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４直流电弧等离子体射流法原理图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ＤＣ?ａｒｃ?ｐｌａｓｍａ?ｊｅｔ?ＣＶＤ??
第一章绪论?硕士研宄生学位论文??随水冷架??皇洗电赛??——１１?□＿??ｍ??１?Ｉ??寘空重?????????—??Ｂｆｔ?１?＾１＂１?Ｉ??真空泵?—Ｘ?进气口??Ｍ水冷架??图１．５ＤＣ－ＰＣＶＤ装置示意图??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＤＣ－ＰＣＶＤ?ｄｅｖｉｃｅ??１．３．５火焰燃烧化学气相沉积法??火焰燃烧化学气相沉积（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ?ｆｌａｍｅ－ａｓｓｉｓｔｅｄ?ＣＶＤ）?［８］是使用类似火焰喷涂的??喷枪，将氧和乙炔进行燃烧大量放热，产生高温气体活化碳基团进而在衬底表面沉积金??刚石薄膜。火焰燃烧化学气相沉积方法设备简单，生长速率快，可以在大气环境下进行??镀膜。但该方法生长金刚石薄膜微观结构及化学组成复杂，均匀度较差，难以实现大面??积生长。??典型金刚石膜燃烧火焰沉积（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ?ｆｌａｍｅ?ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）通常采用氧－乙诀火焰的??内焰（还原性火焰）进行金刚石膜沉积。氧－乙炔火焰能够达到２０００－３５００Ｋ的高温，因??高温的获得是由化学反应（燃烧）产生的，因此所导致的气体激发称为化学激发。自１９８８??年Ｈｉｒｏｓｅ等首次报道采用燃烧火焰沉积金刚石膜之后，由于方法非常简单，实验装置成??本很低，不需要封闭的沉积腔体，因此国内外曾有不少人纷纷仿效。曾一度排在应用最??广泛的四种金刚石膜沉积方法之中。但是燃烧火焰沉积的缺点也非常明显，其中金刚石??膜沉积的均匀性是最大的问题。这是因为从内焰到外焰覆盖区域无论从温度梯度，还是??气体化学成分变化都非常之大，涵盖了高质量沉积区、低质量沉积区和
第一章绪论?硕士研宄生学位论ｊ??金刚石薄膜（ｄｉａｍｏｎｄ?ｔｈｉｎ?ｆｉｌｍ）。依据金刚石膜的晶体质量和用途，金刚石自支撑司分??为三个级别，工具级（ｔｏｏｌ?ｇｒａｄｅ）、热沉级（ｔｈｅｒｍａｌ?ｇｒａｄｅ）和光学级（ｏｐｔｉｃａｌ?ｇｒａｄｅ）。??微米金刚石制备工艺相对成熟，薄膜中虽然存在大量的晶界，但因其性能接近块体??金刚石，因此当前刀具、钻具以及耐磨涂层，大部分为微米金刚石。图１．６、１．７为典型??微米金刚石薄膜的表面及截面形貌图。一般质量较好的微米晶金刚石表面结构致密，晶??粒结晶学形貌特征明显。依据沉积设备及工艺不同，微米金刚石晶粒既可随机生长，也??可进行织构生长，控制晶粒裸露晶面为（１００）或（１１１）。通常（１〇〇）织构取向生长??的微米晶薄膜表面粗糙度较低，但脆性较大。（１００）织构取向生长薄膜表面粗糙度较??大，缺陷密度大。??圍??图１．６微米金刚石薄膜表面??Ｆｉｇ．?１．６?Ｍｉｃｒｏｎ?ｄｉａｍｏｎｄ?ｆｉｌｍ?ｓｕｒｆａｃｅ??微晶金刚石薄膜中晶粒主要为柱状晶生长方式，生长过程中，部分晶粒尺寸逐步增??大，占据表面空间。将微米金刚石薄膜剥离后，形核面晶粒极细，具有镜面光泽。在生??长最初阶段，金刚石晶核随机生长。形成致密薄膜后，受空间所限只能向外生长。由于??不同取向晶面生长速率不一，因此部分晶粒尺寸增大。随着膜厚的增加，金刚石晶粒尺??寸不断增大。因此要获得良好性能的微米金刚石柱状晶结构，生长过程中应尽量避免二??次成核的影响，提高金刚石晶粒质量及纯度。??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于硬脆材料加工的金刚石涂层硬质合金刀具制备及切削性能研究[J]. 陆峰,查丽琼,刘鲁生,王宜豹,袁子尧,闫广宇,黄楠. 稀有金属与硬质合金. 2018(04)
[2]Diamond/β-SiC film as adhesion-enhanced interlayer for top diamond coatings on cemented tungsten carbide substrate[J]. Qingquan Tian,Nan Huang,Bing Yang,Hao Zhuang,Chun Wang,Zhaofeng Zhai,Junhao Li,Xinyi Jia,Lusheng Liu,Xin Jiang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(10)
[3]硬质合金刀具表面微/纳米金刚石复合涂层制备研究[J]. 张林,马乐娟,薛海鹏,卢文壮,左敦稳. 机械制造与自动化. 2017(02)
[4]TiAlN/TiN纳米多层膜的微结构与力学性能[J]. 胡春华,董学超,李淼磊,黄小忠,岳建岭. 真空科学与技术学报. 2016(07)
[5]微米、纳米及微/纳米复合金刚石涂层的切削性能研究[J]. 邓福铭,陈立,刘畅,邓雯丽,雷青,赵烨,吕少宁. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(04)
[6]基于中间过渡层技术提高金刚石薄膜与硬质合金基体间附着力的研究进展[J]. 崔雨潇,赵天奇,孙方宏,沈彬. 中国科技论文. 2015(06)
[7]大面积光学级金刚石自支撑膜制备、性能及其在高技术领域应用前景[J]. 吕反修. 中国表面工程. 2010(03)
[8]热丝CVD法沉积金刚石薄膜用灯丝研究现状及改进[J]. 孙心瑗,周灵平,李宇农,余晓光. 粉末冶金工业. 2005(06)
[9]高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的制备和试验研究[J]. 孙方宏,陈明,张志明,沈荷生. 机械工程学报. 2003(07)
[10]CVD金刚石涂层硬质合金刀片的基体预处理方法进展[J]. 匡同春,成晓玲,白晓军,刘正义,代明江,周克崧. 硬质合金. 2001(01)
博士论文
[1]硼掺杂金刚石薄膜电极的制备及其在密闭空间废水处理回用中的应用[D]. 李浩.浙江大学 2016
[2]高性能金刚石涂层制备及其在CFRP钻削中的应用研究[D]. 张建国.上海交通大学 2014
[3]硼掺杂金刚石薄膜电极的制备与性能评价[D]. 吕江维.哈尔滨工业大学 2011
[4]纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究[D]. 徐锋.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]高质量光学级金刚石膜的制备与研究[D]. 罗福平.武汉工程大学 2014
[2]CVD金刚石涂层高钴硬质合金刀具的制备及其应用基础研究[D]. 徐俊华.南京航空航天大学 2014
本文编号：3454823
【文章来源】：沈阳建筑大学辽宁省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４直流电弧等离子体射流法原理图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｉｍａｇｅ?ｏｆ?ＤＣ?ａｒｃ?ｐｌａｓｍａ?ｊｅｔ?ＣＶＤ??
第一章绪论?硕士研宄生学位论文??随水冷架??皇洗电赛??——１１?□＿??ｍ??１?Ｉ??寘空重?????????—??Ｂｆｔ?１?＾１＂１?Ｉ??真空泵?—Ｘ?进气口??Ｍ水冷架??图１．５ＤＣ－ＰＣＶＤ装置示意图??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＤＣ－ＰＣＶＤ?ｄｅｖｉｃｅ??１．３．５火焰燃烧化学气相沉积法??火焰燃烧化学气相沉积（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ?ｆｌａｍｅ－ａｓｓｉｓｔｅｄ?ＣＶＤ）?［８］是使用类似火焰喷涂的??喷枪，将氧和乙炔进行燃烧大量放热，产生高温气体活化碳基团进而在衬底表面沉积金??刚石薄膜。火焰燃烧化学气相沉积方法设备简单，生长速率快，可以在大气环境下进行??镀膜。但该方法生长金刚石薄膜微观结构及化学组成复杂，均匀度较差，难以实现大面??积生长。??典型金刚石膜燃烧火焰沉积（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ?ｆｌａｍｅ?ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）通常采用氧－乙诀火焰的??内焰（还原性火焰）进行金刚石膜沉积。氧－乙炔火焰能够达到２０００－３５００Ｋ的高温，因??高温的获得是由化学反应（燃烧）产生的，因此所导致的气体激发称为化学激发。自１９８８??年Ｈｉｒｏｓｅ等首次报道采用燃烧火焰沉积金刚石膜之后，由于方法非常简单，实验装置成??本很低，不需要封闭的沉积腔体，因此国内外曾有不少人纷纷仿效。曾一度排在应用最??广泛的四种金刚石膜沉积方法之中。但是燃烧火焰沉积的缺点也非常明显，其中金刚石??膜沉积的均匀性是最大的问题。这是因为从内焰到外焰覆盖区域无论从温度梯度，还是??气体化学成分变化都非常之大，涵盖了高质量沉积区、低质量沉积区和
第一章绪论?硕士研宄生学位论ｊ??金刚石薄膜（ｄｉａｍｏｎｄ?ｔｈｉｎ?ｆｉｌｍ）。依据金刚石膜的晶体质量和用途，金刚石自支撑司分??为三个级别，工具级（ｔｏｏｌ?ｇｒａｄｅ）、热沉级（ｔｈｅｒｍａｌ?ｇｒａｄｅ）和光学级（ｏｐｔｉｃａｌ?ｇｒａｄｅ）。??微米金刚石制备工艺相对成熟，薄膜中虽然存在大量的晶界，但因其性能接近块体??金刚石，因此当前刀具、钻具以及耐磨涂层，大部分为微米金刚石。图１．６、１．７为典型??微米金刚石薄膜的表面及截面形貌图。一般质量较好的微米晶金刚石表面结构致密，晶??粒结晶学形貌特征明显。依据沉积设备及工艺不同，微米金刚石晶粒既可随机生长，也??可进行织构生长，控制晶粒裸露晶面为（１００）或（１１１）。通常（１〇〇）织构取向生长??的微米晶薄膜表面粗糙度较低，但脆性较大。（１００）织构取向生长薄膜表面粗糙度较??大，缺陷密度大。??圍??图１．６微米金刚石薄膜表面??Ｆｉｇ．?１．６?Ｍｉｃｒｏｎ?ｄｉａｍｏｎｄ?ｆｉｌｍ?ｓｕｒｆａｃｅ??微晶金刚石薄膜中晶粒主要为柱状晶生长方式，生长过程中，部分晶粒尺寸逐步增??大，占据表面空间。将微米金刚石薄膜剥离后，形核面晶粒极细，具有镜面光泽。在生??长最初阶段，金刚石晶核随机生长。形成致密薄膜后，受空间所限只能向外生长。由于??不同取向晶面生长速率不一，因此部分晶粒尺寸增大。随着膜厚的增加，金刚石晶粒尺??寸不断增大。因此要获得良好性能的微米金刚石柱状晶结构，生长过程中应尽量避免二??次成核的影响，提高金刚石晶粒质量及纯度。??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于硬脆材料加工的金刚石涂层硬质合金刀具制备及切削性能研究[J]. 陆峰,查丽琼,刘鲁生,王宜豹,袁子尧,闫广宇,黄楠. 稀有金属与硬质合金. 2018(04)
[2]Diamond/β-SiC film as adhesion-enhanced interlayer for top diamond coatings on cemented tungsten carbide substrate[J]. Qingquan Tian,Nan Huang,Bing Yang,Hao Zhuang,Chun Wang,Zhaofeng Zhai,Junhao Li,Xinyi Jia,Lusheng Liu,Xin Jiang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(10)
[3]硬质合金刀具表面微/纳米金刚石复合涂层制备研究[J]. 张林,马乐娟,薛海鹏,卢文壮,左敦稳. 机械制造与自动化. 2017(02)
[4]TiAlN/TiN纳米多层膜的微结构与力学性能[J]. 胡春华,董学超,李淼磊,黄小忠,岳建岭. 真空科学与技术学报. 2016(07)
[5]微米、纳米及微/纳米复合金刚石涂层的切削性能研究[J]. 邓福铭,陈立,刘畅,邓雯丽,雷青,赵烨,吕少宁. 金刚石与磨料磨具工程. 2015(04)
[6]基于中间过渡层技术提高金刚石薄膜与硬质合金基体间附着力的研究进展[J]. 崔雨潇,赵天奇,孙方宏,沈彬. 中国科技论文. 2015(06)
[7]大面积光学级金刚石自支撑膜制备、性能及其在高技术领域应用前景[J]. 吕反修. 中国表面工程. 2010(03)
[8]热丝CVD法沉积金刚石薄膜用灯丝研究现状及改进[J]. 孙心瑗,周灵平,李宇农,余晓光. 粉末冶金工业. 2005(06)
[9]高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的制备和试验研究[J]. 孙方宏,陈明,张志明,沈荷生. 机械工程学报. 2003(07)
[10]CVD金刚石涂层硬质合金刀片的基体预处理方法进展[J]. 匡同春,成晓玲,白晓军,刘正义,代明江,周克崧. 硬质合金. 2001(01)
博士论文
[1]硼掺杂金刚石薄膜电极的制备及其在密闭空间废水处理回用中的应用[D]. 李浩.浙江大学 2016
[2]高性能金刚石涂层制备及其在CFRP钻削中的应用研究[D]. 张建国.上海交通大学 2014
[3]硼掺杂金刚石薄膜电极的制备与性能评价[D]. 吕江维.哈尔滨工业大学 2011
[4]纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究[D]. 徐锋.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]高质量光学级金刚石膜的制备与研究[D]. 罗福平.武汉工程大学 2014
[2]CVD金刚石涂层高钴硬质合金刀具的制备及其应用基础研究[D]. 徐俊华.南京航空航天大学 2014
本文编号：3454823
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