CVD金刚石涂层硬质合金刀具Ta_xC过渡层的制备及其性能研究

发布时间：2017-08-30 06:05

  本文关键词：CVD金刚石涂层硬质合金刀具Ta_xC过渡层的制备及其性能研究

  更多相关文章： Ta_xC过渡层 Mo促形核层 双辉等离子体表面合金化 CVD金刚石涂层 硬质合金 结合强度

【摘要】：化学气相沉积法(CVD)制备的金刚石涂层硬质合金刀具,因其同时兼备金刚石的高硬度和硬质合金的强韧性,在有色金属及其合金、碳纤维复合材料以及高硅铝合金等材料加工领域有着广阔的应用前景。然而,在金刚石涂层刀具工业化应用过程中,存在两个发展局限:金刚石涂层与硬质合金基底间结合强度不足和金刚石涂层表面粗糙度较大。金刚石涂层的结合强度不足主要由于硬质合金中粘结相Co会抑制金刚石形核、促进石墨相的产生所致,这使得金刚石涂层刀具不适用于高速、高进给等产生较大切削力的工作情况。而金刚石涂层表面粗糙度较大影响了加工面的加工精度和表面光洁度。鉴于此,本论文提出采用施加过渡层法来提高金刚石涂层的结合强度,而这其中的关键是提高过渡层与硬质合金间的结合强度。双辉等离子体表面合金化技术(DGPSA)能够在基体表面制备出呈冶金结合的涂层,膜/基结合强度高。因此,本论文采用DGPSA技术在硬质合金表面制备了TaxC过渡层,并采用微波等离子体化学气相沉积法在过渡层表面沉积了一层金刚石涂层。之后,为降低金刚石涂层的表面粗糙度,在性能最优的TaxC过渡层表面制备一层Mo促形核层,形成TaxC/Mo双层过渡层,然后进行金刚石涂层的沉积。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜、洛氏压痕实验等多种方法对TaxC过渡层、TaxC/Mo双层过渡层及金刚石涂层进行了一系列组织和性能的表征分析。论文研究了不同基体温度对所得TaxC过渡层的影响,结果表明所制备的过渡层由Ta2C和Ta C纳米晶粒组成,过渡层表面呈现出特殊的圆环或凹坑形貌,且过渡层的成膜机制符合薄膜区域结构模型。基体温度对过渡层的组织性能有较大的影响,800℃时所制备的TaxC过渡层组织最致密,显微硬度最高,耐磨性最好,与基体结合强度最大,综合性能最为优异,并且在其表面沉积的金刚石涂层与基体间结合强度较高,这说明TaxC过渡层有效地抑制了基体中Co元素的向外扩散。之后,通过对TaxC/Mo双层过渡层的研究发现,增加一层Mo促形核层后,所沉积的金刚石形核密度大大增加,且金刚石涂层依然具有高的结合强度,对比TaxC过渡层表面金刚石的沉积,沉积效率由2.0μm/h提高到3.1μm/h,金刚石表面粗糙度(RMS)由263 nm降至168 nm。本论文采用DGPSA技术制备出TaxC过渡层增强了金刚石涂层与硬质合金基体间的结合强度,增加Mo促形核层降低了金刚石涂层的表面粗糙度,这为解决金刚石涂层刀具的发展问题提供了新思路和新方法。
【关键词】：Ta_xC过渡层 Mo促形核层 双辉等离子体表面合金化 CVD金刚石涂层 硬质合金 结合强度
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG711
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 金刚石膜的简介及其制备方法10-12
• 1.2 CVD金刚石涂层刀具概述12-18
• 1.2.1 CVD金刚石涂层刀具的特点12-15
• 1.2.2 CVD金刚石涂层刀具的应用进展15-18
• 1.3 双辉等离子体表面合金化技术18-19
• 1.4 Ta_xC和Mo的性能及应用19-20
• 1.4.1 Ta_xC的性能及应用19-20
• 1.4.2 Mo的性能及应用20
• 1.5 本课题的提出与研究内容20-22
• 第二章 实验方法及过程22-30
• 2.1 实验材料及方案22-23
• 2.2 实验参数23-27
• 2.2.1 Ta_xC过渡层的制备23-25
• 2.2.2 Mo促形核层的制备25
• 2.2.3 金刚石涂层的沉积25-27
• 2.3 表征方法及性能测试27-30
• 2.3.1 表征方法27-28
• 2.3.2 性能测试28-30
• 第三章 基体温度对Ta_xC过渡层的影响30-52
• 3.1 Ta_xC过渡层的成分分析30-34
• 3.1.1 XRD分析30-33
• 3.1.2 XPS分析33-34
• 3.2 Ta_xC过渡层的显微形貌分析34-41
• 3.2.1 表面形貌分析34-38
• 3.2.2 截面形貌分析38-41
• 3.3 纳米Ta_xC过渡层的成膜机理分析41-45
• 3.3.1 薄膜的结构区域模型41-43
• 3.3.2 不同基体温度下Ta_xC过渡层成膜分析43-45
• 3.4 Ta_xC过渡层的综合性能分析45-51
• 3.4.1 显微硬度45-46
• 3.4.2 摩擦学性能46-49
• 3.4.3 结合强度49-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 Ta_xC过渡层表面金刚石涂层的沉积52-56
• 4.1 相结构分析52-53
• 4.2 截面形貌及元素分布53-54
• 4.3 金刚石涂层表面形貌及结合强度分析54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 Mo促形核层的制备及其性能分析56-66
• 5.1 Mo促形核层的制备56-57
• 5.2 Mo促形核层的相分析57-58
• 5.3 形核实验及结果分析58-62
• 5.3.1 形核实验58-61
• 5.3.2 结果分析61-62
• 5.4 Mo促形核层表面金刚石涂层的沉积62-63
• 5.5 本章小结63-66
• 第六章 结论与展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-76
• 攻读硕士期间的学术成果76-78
• 致谢78

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本文编号：757634