微细刀具表面金刚石涂层的制备及其应用基础研究

发布时间：2019-09-13 04:01

【摘要】：微细零部件系统是微小尺度范围内综合机、电、液等技术而形成的高新技术产品,广泛应用在绿色能源、信息电子、航空航天、工业生产和仪器仪表等产业领域。微细切削是一种在介观尺度直接对工件进行切削去除的加工技术,具有卓越的三维加工能力、加工材料的普适性、加工效率和加工成本方面的综合优势,是微细零部件加工技术体系的重要组成部分。在微细切削过程中,由于刀具与工件间极高的切削速度会带来的二者间剧烈机械摩擦,这对微细刀具的耐磨损性能和抗工件粘附性能提出了比传统刀具更高的要求。普通硬质合金微细刀具在高速微细切削过程中,磨损严重、易折断、易粘附工件材料、效率低且消耗大。因此,微细切削行业迫切需要研究耐磨损性能更好、工作寿命更长的新型微细刀具来满足行业的发展需求。化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石薄膜具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性强、表面化学惰性高,以及与许多工程材料间弱粘附性等优异的机械及摩擦学性能。由于热丝化学气相沉积(Hot Filament CVD,HFCVD)法制备金刚石薄膜具有设备简单易控、沉积效率高、加工成本低、基体形状不受限制等优点,现已成为刀具金刚石涂层的主要方法之一。因而,采用HFCVD法在微细刀具上涂覆金刚石薄膜能有效延缓切削刃的磨损失效,提升微细刀具耐用度,或许能成为突破微细切削发展技术瓶颈的有效手段。本文以HFCVD法为基础,致力于解决高性能CVD金刚石涂层微细刀具制备及其应用过程中的四个关键技术问题,即:CVD金刚石薄膜的制备及其耐磨损性能研究、批量化制备金刚石涂层微细刀具的温度场仿真优化、高性能金刚石涂层微细刀具的制备工艺优化以及适应石墨、印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)和7075铝合金专属加工特性的高性能金刚石涂层微细刀具的开发与应用。主要工作概括为如下几点:1.CVD金刚石薄膜的制备及其耐磨损性能研究。CVD金刚石薄膜的基础特性直接影响其在微细刀具上的切削应用性能。本部分围绕微米金刚石(Micro Crystalline Diamond,MCD)和纳米金刚石(Nano Crystalline Diamond,NCD)两种典型的CVD金刚石薄膜,对比研究了在硬质合金基体上二者微观形貌、表面粗糙度、晶粒取向、金刚石纯度及其与基体附着强度的差异,并进一步提出了通过mcd薄膜和ncd薄膜对磨来定量对比二者耐磨损性能的新方法。实验结果揭示:金刚石薄膜互磨时主要的磨损机理为薄膜的自抛光机理引起的磨粒磨损效应。在对磨条件相同时,ncd薄膜的磨损率约为mcd薄膜的2倍,主要原因是mcd薄膜中硬度较高的mcd颗粒凸起较易插入ncd薄膜中,进而导致ncd薄膜被快速刮落和磨损。mcd、ncd薄膜的对磨实验显示,mcd薄膜的耐磨损性能优于ncd薄膜。2.批量化制备金刚石涂层微细刀具的温度场仿真研究。介于基体温度会显著影响金刚石薄膜的质量的沉积机理,本部分利用计算流体动力学仿真软件,探讨了不同热丝排布方式对基体表面温度分布的影响。对于批量化微细刀具的温度场仿真,首先采用测温实验验证了复杂三维仿真模型建立与参数设置的正确性;进而采用正交试验方法研究了热丝的直径d、高度h、间距d和长度l等热丝排布参数对微细刀具基体表面温度场分布的影响,并获得了热丝优化排布方案(d=0.65mm,h=12mm,d=27mm,l=160mm)。该热丝排布方案对应的刀具温度场分布均匀,不同位置微细刀具薄膜沉积区域温度波动范围极小。实际薄膜沉积实验显示,采用优化的热丝排布方式可批量化获得金刚石薄膜颗粒尺寸和厚度相近的cvd金刚石涂层微细刀具。3.高性能cvd金刚石涂层微细刀具的制备工艺优化研究。为制备断裂强度高、薄膜均匀一致性好、膜-基附着强度高的高性能cvd金刚石涂层微细刀具,本部分从预处理和沉积工艺两方面入手,对金刚石涂层微细刀具的制备过程进行了优化。首先,通过静载微细刀具压断实验,发现只预处理刀具切削部分可显著减轻预处理对微细刀具断裂强度的弱化作用。其次,通过基体表面形貌、元素组成分析和压痕实验获得了可对刀具基体表面进行有效粗化和去钴的碱处理(10分钟)和酸处理时间(10秒)。随后,通过形核反应气压、基体温度和碳源浓度对金刚石薄膜形核密度、生长速率及均匀性影响规律的研究,确定了优化的形核反应气压(1.6kpa)、基体温度(850oc)和碳源氢气流量比(1:2.75)。在此基础上,针对掺硼金刚石(borondopeddiamond,bdd)薄膜在沉积过程中可阻止基体钴元素高温溢出但耐磨性不及mcd薄膜的特点,提出了bdd+mcd复合金刚石薄膜新工艺。石墨切削实验显示,bdd+mcd复合涂层微细钻头的钻削寿命约为mcd或bdd涂层微细刀具工作寿命的2-3倍。4.石墨加工用高性能cvd金刚石涂层微细刀具的开发与应用研究。本部分主要从涂层类型和厚度两方面优化了石墨加工专用cvd金刚石涂层微细刀具的切削性能。石墨与MCD、NCD薄膜以及硬质合金的对磨试验显示,MCD薄膜具有更高的石墨去除率。切削石墨实验显示MCD涂层微细刀具的工作寿命分别为NCD、DLC、TiAl N涂层以及未涂层微细刀具工作寿命的1.5、2、6和9倍。通过对平片上不同厚度MCD薄膜的检测分析发现,随着厚度的增加,MCD薄膜表面金刚石纯度和硬度逐渐提高,表层残余压应力逐渐减小,薄膜附着强度逐渐降低。不同厚度MCD涂层微细刀具的石墨切削实验显示,当MCD涂层厚度为2.5μm时,微细刀具的工作寿命最长,且实验过程中其钻孔孔壁清晰无破损。该厚度MCD薄膜集合了高耐磨性和与基体间高附着强度两方面的优势,因而其表现出最优的石墨切削性能。5.PCB板加工用CVD金刚石涂层微细刀具的优化制备研究。本部分首先研究了MCD、NCD薄膜和硬质合金与PCB板间的摩擦磨损性能并发现NCD薄膜与PCB板间摩擦系数最小(0.35)。MCD、NCD、DLC和TiAlN薄膜涂层微细钻头钻削PCB板的实验显示基于NCD薄膜兼具耐磨和与PCB板摩擦系数低两方面的优点,NCD涂层微钻的工作寿命最长。在优化的薄膜类型基础上,分别在PCB微钻上沉积了不同厚度的NCD薄膜。结合钻孔形貌、钻削力和刀具磨损情况分析可知:当NCD涂层为3μm时,微钻钻孔数最多,其工作寿命约为未涂层PCB板微钻的5-7倍。6.铝合金加工用CVD金刚石涂层微细刀具的开发与应用研究。针对7075铝合金粘着性好且硬度较高的加工特点,本部分首先采用摩擦实验研究了CVD金刚石薄膜及硬质合金与铝合金间的摩擦磨损特性,发现了NCD薄膜与铝合金对磨时摩擦系数和磨损率均明显低于MCD薄膜和硬质合金的特性,揭示了其主要原因为NCD薄膜良好的耐磨损性能,及其与铝合金间较高的化学惰性和低粘附强度。随后,MCD、NCD、DLC、TiAlN涂层和未涂层微细钻头钻削铝合金的实验显示,NCD涂层微细刀具的工作寿命最长。其原因在于,钻削过程中,NCD涂层微钻的切削刃保持完整,平均进给力一直处于较低水平,钻孔孔壁清晰且具有很高的圆度。基于优化的薄膜类型,不同厚度NCD涂层微细刀具切削实验显示,当NCD涂层厚度为4.5μm时最为合理,既不太厚以致影响切削刃锋利性;同时也能有效地保护切削刃。此时,微钻的工作寿命为未涂层微钻的4.5倍,且明显高于其他厚度的NCD涂层微细钻头。高性能CVD金刚石涂层微细刀具的成功研制与应用,有效拓展了CVD金刚石薄膜的应用领域、提高了石墨、PCB板和铝合金零件的生产效率,降低了相应产品的制造成本;同时也为实现传统硬质合金微细刀具行业的技术升级提供了有力的技术保障。
【图文】：

示意图,晶体结构,示意图,立方面

涂层类型的基础上进一步探究的可成功应用于石墨、印刷线的微细刀具表面硬质涂层薄膜综述的制备及其耐磨损性能研究同素异形体，，其内部的碳原子面体晶胞的立方面心晶体[1]。是现今人类已知的最硬的工程材高硬度、低磨损率和强化学惰泛的工程材料。

几何形状,微细机械加工,尺寸范围

图 1- 2 微细机械加工的尺寸范围[21]Figure 1- 2 Dimentional size of micro mechanical machining具对于微细切削加工过程十分重要，因为工件的加工细刀具的特性密切相关。因此，如何提高微细刀具的外学者研究的重点方向。国内外研究主要从微细刀具及刀具涂层等方面进行微细刀具切削性能的优化。的热硬性和韧性，钨钴类超细颗粒硬质合金被广泛用微细切削过程中，微细刀具不仅需要高的强度和韧性利度，这要求微细刀具的基体材料应采用晶粒度小于前，国际上已有厂家量产晶粒尺寸为 0.5～1.0 μm 的超材料，微细刀具的切削刃圆弧半径可降低到几微米，利度。刀具的几何形状也会对其切削性能产生巨大的影响。等设计了一种半圆微细铣刀。有限元分析结果显示该铣
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TG71

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