多层金刚石涂层刀具制备及其性能研究

发布时间：2020-06-30 00:47

【摘要】：金刚石是由sp~3杂化的碳碳共价键的原子晶体,面心立方结构,具有高硬度、抗磨损、高导热率和低摩擦系数等优异特点。金刚石薄膜是硬质涂层材料中的最佳选择,可作为涂层刀具的涂层材料。金刚石涂层刀具广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域,在切削高硅铝合金、陶瓷、碳纤维增强复合材料、石墨等难加工材料方面,表现出优异的切削性能。本文使用热丝化学气相沉积法(HFCVD),在碳化钨钴基硬质合金片和硬质合金立铣刀上制备不同表面结构的单层金刚石涂层和不同调制周期的多层微/纳金刚石涂层,利用扫描电子显微(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman)和原子力显微镜(AFM)等对金刚石涂层结构和成分进行表征;使用拉曼光谱仪和X射线衍射仪对不同结构涂层进行应力分析;利用压痕实验系统研究不同结构的金刚石涂层与碳化钨硬质合金的结合性能;利用数控加工中心系统研究不同结构金刚石涂层刀具的切削性能,并初步探索硬质合金基金刚石刀具涂层脱落机理。本文利用热丝化学气相沉积法制备金刚石生涂层,其基本生长规律如下:随着基底温度、甲烷浓度、腔室压强的提高金刚石涂层的生长速率随之提高,其中甲烷浓度对金刚石的生长质量影响最为明显;随着甲烷浓度的升高金刚石涂层表面由1-3μm的金刚石晶粒减小至几十纳米,由于表面金刚石晶粒细化,涂层粗糙度呈现下降趋势,同时金刚石涂层中非金刚石相也随之上升,金刚石涂层由柱状晶生长方式转变为纳米堆积生长方式;通过调节甲烷浓度,在无偏压条件下,利用热丝化学气相沉积方法成功制备出不同调制周期(600 nm,300 nm和100 nm)的多层金刚石涂层结构。本文对不同结构金刚石涂层残余应力及涂层力学性能进行系统研究得到如下结果:单层微米金刚石涂层的残余应力最大,为-3.06 GPa,但是微米金刚石与硬质合金基底有较强的机械锁合效应,出现涂层小面积脱落和较宽的裂纹扩展区域;单层纳米金刚石涂层残余应力最小,为-2.27 GPa,但是纳米金刚石在硬质合金界面处形成大量sp~2碳,与基底结合性能最差。多层微/纳米金刚石涂层与微米金刚石涂层相比,由于在微米金刚石的基础上引入了纳米金刚石层,降低涂层残余应力最小至-2.55 GPa,提高了涂层韧性,我们发现以300 nm为生长周期的多层结构在压痕实验中性能最为优异,可以有效的抑制裂纹扩展。本文对不同结构的单层金刚石和微/纳米多层金刚石涂层刀具进行切削性能研究得到如下结论:除100 nm调制周期的多层结构金刚石涂层刀具外,另外两种多层金刚石刀具(600 nm和300 nm)切削性能整体优于单层金刚石涂层刀具,其中以300 nm为调制周期的涂层刀具性能最为优异,切削长度为1130 m时,刀刃涂层仍然保持完整,而单层金刚石涂层刀具在切削初期刃部出现了明显的涂层破损。通过对刀刃处涂层破损观察发现,微米金刚石涂层由于脆性大,以柱状晶解离的方式脱落;而多层金刚石涂层韧性高,前期涂层以磨损的形式被消耗,当刃部涂层磨损至一定厚度时,涂层受到的剪切力会骤然升高,从而引起涂层的脱落。根据以上多层金刚石涂层失效机理,下一步优化多层微米/纳米金刚石涂层制备工艺,可以通过提高涂层的整体厚度,或者增加单层微米金刚石厚度来增加涂层的耐磨性。
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG71
【图文】：

金刚石结构,金刚石晶体,晶胞,金刚石

图 1.1 (a)金刚石晶体结构；(b)金刚石结构晶胞[2]Figure 1.1 (a) structure and (b) unit cell of diamond实验表明 5-10 μm 的金刚石涂层可以提高刀具约 10 倍使用寿命[3]。此外金刚石有较低的摩擦系数(0.1)，是碳化钨硬质合金摩擦系数低 1/6 左右，因此金刚石还应用于拉拔模具以及密封材料上。表 1.1 金刚石力学性能对比[4]Table 1.1 Mechanical properties of diamond天然金刚石微米金刚石碳化钨氮化硅硬度(GPa) 100 50-100 23 18-20杨氏模量(GPa) 1050 820-900 - 120-320断裂强度(GPa) 2.8 0.34-1.38 0.6-0.8 0.15-1.2动摩擦系数 0.05-0.1 0.035-0.3 0.3-1.2 0.3-0.8

金刚石,光学

Table 1.2 Electrical properties of diamond电学性能金刚石介电常数 5.5禁带宽度(eV) 5.45电阻率( ·m) 1016电子迁移率(cm2·V·s)-12200空位迁移率(cm2·V·s)-11600击穿电压(V·cm-1) 3.5×106高纯金刚石透光性能优异，只有在 4- μm 波长范围内有吸收峰外，不存在其他的吸收峰，是良好的窗口材料，应用于超音速飞行器红外窗口，如图 2.1(a)所示，其光透过率可达到 70%以上。因此金刚石在高技术领域应用前景广阔，还可应用于高功率工艺CO2激光窗口和高功率微波窗口。金刚石具有较高的折射率，高折射率的金刚石表面可以发生完全反射，应用于太阳能电池光反射膜和光学镜头的保护膜。

【参考文献】