金刚石涂层刀具的膜基结合力改善途径与性能研究

发布时间：2022-08-13 16:45

　　在石墨电极材料的加工领域,一般的硬质合金铣刀高速切削时磨损严重,而金刚石涂层铣刀在抗磨损方面具备明显的优势。为了使金刚石涂层铣刀拥有好的加工质量和长的使用寿命,首先要保证良好的膜基结合力,其次需提高金刚石膜的结晶质量及耐磨性。本文利用热丝化学气相沉积法制备金刚石薄膜,重点研究了喷砂、化学刻蚀和过渡层等多种改善膜基结合力的方法。在获得高膜基结合力的基础上,探究超低摩擦系数且耐磨的超细晶金刚石薄膜制备工艺,制备出高结合力的超细晶金刚石涂层铣刀,研究了其对石墨的高速切削性能、使用寿命及失效情况,并与无涂层硬质合金铣刀对比。本文采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、3D形貌仪、超景深显微镜、球盘式摩擦磨损仪及洛氏硬度计等分析检测设备对试样的组织结构、表面形貌、结合力及性能等进行了表征。主要研究工作和成果如下:（1）采用喷砂正交试验确定了综合效果最优的喷砂预处理工艺,且发现Murakami试剂浸蚀也不可或缺,喷砂处理增强了金刚石晶粒与基体间的机械锁合作用,而碱处理能增加酸处理刻蚀Co的深度。优化后的喷砂工艺加两步法刻蚀的复合预处理工艺不仅提高了金刚石的形核密度及均匀性,并有效减少了金刚石... 

【文章页数】：99 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 课题的研究意义
    1.2 金刚石膜的性能和应用
        1.2.1 金刚石膜的力学性能和应用
        1.2.2 金刚石膜的电学性能和应用
        1.2.3 金刚石膜的热学性能和应用
        1.2.4 金刚石膜的光学性能和应用
        1.2.5 金刚石膜的其他性能和应用
    1.3 金刚石膜的制备方法
        1.3.1 热丝CVD
        1.3.2 微波等离子体CVD
        1.3.3 直流电弧等离子体喷射CVD
    1.4 硬质合金基体CVD金刚石膜的研究现状
        1.4.1 金刚石薄膜应用面临的问题
        1.4.2 改善金刚石膜结合力的方法
    1.5 研究内容及课题来源
        1.5.1 研究内容
        1.5.2 课题来源
第二章 实验过程及分析表征
    2.1 实验材料
        2.1.1 基体材料
        2.1.2 靶材
    2.2 热丝化学气相沉积设备与工艺
        2.2.1 热丝CVD设备
        2.2.2 实验参数
    2.3 PVD过渡层镀膜设备与工艺
    2.4 性能的检测与表征
        2.4.1 扫描电子显微镜
        2.4.2 X射线衍射仪
        2.4.3 拉曼光谱
        2.4.4 洛氏C压痕法
        2.4.5 表面粗糙度的分析表征
        2.4.6 耐磨性表征
第三章 喷砂刻蚀复合预处理的研究
    3.1 喷砂原理、设备及喷砂实验方案
        3.1.1 喷砂原理
        3.1.2 喷砂方案
    3.2 金刚石薄膜的沉积
        3.2.1 预处理
        3.2.2 热丝CVD法制备金刚石薄膜
    3.3 喷砂正交试验结果与分析
        3.3.1 喷砂后基体表面粗糙度
        3.3.2 金刚石膜的表面形貌
        3.3.3 喷砂正交实验结果分析
    3.4 喷砂刻蚀复合预处理与传统两步法预处理的对比
    3.5 本章小结
第四章 不同过渡层对金刚石薄膜性能影响的研究
    4.1 Cr过渡层的结构表征与基本性能分析
    4.2 WC过渡层的结构表征与基本性能分析
    4.3 AlCrN过渡层的结构表征与基本性能分析
    4.4 Cr/WC复合过渡层的结构表征与基本性能分析
    4.5 Ti/WC复合过渡层的结构表征与基本性能分析
    4.6 基于不同过渡层的金刚石薄膜结构与性能分析
        4.6.1 金刚石形核分析
        4.6.2 金刚石薄膜生长分析
        4.6.3 各过渡层上金刚石薄膜结合力对比分析
    4.7 本章小结
第五章 超细晶金刚石涂层铣刀的制备及性能研究
    5.1 超细晶金刚石薄膜的制备
    5.2 超细晶金刚石薄膜的表征
        5.2.1 表面SEM及AFM分析
        5.2.2 拉曼分析
        5.2.3 X射线衍射分析
        5.2.4 粗糙度分析
    5.3 耐磨性能及磨损机理的研究
        5.3.1 摩擦系数分析
        5.3.2 薄膜磨损表面形貌分析
        5.3.3 磨痕线扫与分析
        5.3.4 不同载荷对薄膜耐磨性能的影响
    5.4 超细晶金刚石涂层铣刀的制备
        5.4.1 铣刀材料
        5.4.2 预处理工艺
        5.4.3 沉积工艺
        5.4.4 金刚石涂层铣刀的表征
    5.5 超细晶金刚石涂层铣刀的切削性能研究
        5.5.1 铣削刀具及设备
        5.5.2 铣削工件材料
        5.5.3 铣削实验方案
        5.5.4 铣刀切削性能检测结果分析
    5.6 本章小结
全文结论及展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
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[4]超光滑金刚石复合薄膜的制备、摩擦学性能及应用研究[J]. 沈彬.  机械工程学报. 2012(18)
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[6]热喷涂基体表面前处理技术的研究进展[J]. 杨震晓,刘敏,邓春明,邓畅光,车晓舟.  中国表面工程. 2012(02)
[7]微喷砂预处理对硬质合金上沉积类金刚石薄膜结构和性能的影响[J]. 胡芳,代明江,林松盛.  中国表面工程. 2011(03)
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博士论文
[1]光学级金刚石厚膜应用于红外窗口的关键技术研究[D]. 陈荣发.南京航空航天大学 2008
[2]金刚石涂层工具制备及其应用研究[D]. 马玉平.上海交通大学 2007

硕士论文
[1]基于PVD过渡层的金刚石刀具涂层制备及其结合性能研究[D]. 郑琳.南京航空航天大学 2012
[2]热丝CVD法制备金刚石—碳化硅—硅化钴复合薄膜[D]. 王陶.大连理工大学 2010
[3]高性能复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的制备与切削试验研究[D]. 薛宏国.上海交通大学 2007



本文编号：3677390