制备CVD金刚石涂层硬质合金刀具中间层的研究

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CVD金刚石薄膜是一种具有高硬度、高弹性模量、高热导率、高化学稳定性、低摩擦系数和低热膨胀系数等诸多优异性能的超硬多功能材料,可谓是工具和耐磨涂层的理想材料。CVD金刚石薄膜用于硬质合金刀具涂层,在非铁材料如钛合金、铝硅合金、有色金属、陶瓷、复合材料等难加工材料的切削加工领域应用前景广泛。但是由于存在金刚石膜/基粘附性能不足的问题,从而制约了其应用。本论文以H2、CH4和TMS(四甲基硅烷)为反应气源,采用偏压增强热丝化学气相沉积法在YG6X硬质合金刀片上分别制备金刚石-碳化硅-硅化钴薄膜和纳米碳化硅薄膜,并以之作为中间层,然后在其上沉积金刚石薄膜,以提高金刚石膜/基粘附性能。采用扫描电子显微镜、电子探针、X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、金相显微镜、表面轮廓仪、洛氏C压痕试验、摩擦磨损试验、切削试验对薄膜的表面形貌、成分、结构、表面粗糙度以及粘附性能进行了表征。本论文研究的主要结果如下:(1)在制备金刚石-碳化硅-硅化钴薄膜的沉积过程中,金刚石-碳化硅-硅化钴三相随着偏流、四甲基硅烷浓度的变化处于竞相生长的状态。随着偏流的增大,薄膜中的金刚石相含量增多且其晶粒尺寸增大,而碳化硅相与硅化钴相含量都减少;随着四甲基硅烷浓度的增大,薄膜中的碳化硅相含量增加,金刚石相和硅化钴相含量减少。洛氏C压痕试验和摩擦磨损试验结果表明,金刚石-碳化硅-硅化钴三相复合中间层有助于提高金刚石薄膜在硬质合金衬底上的粘附性能。(2)在制备纳米碳化硅薄膜的沉积过程中,随着四甲基硅烷浓度的增大,纳米碳化硅晶体结构由六方转变为立方结构,颗粒形状由球状变为菜花状。洛氏C压痕试验结果表明,在0.1vol.%TMS参数下制备的纳米碳化硅中间层提高了金刚石薄膜在硬质合金衬底上的粘附性能。(3)切削试验结果表明,与未涂层刀具和无中间层的金刚石涂层刀具相比,刀具预处理采用磨刃,Murakami试剂30min,Caro酸60s,在0.075vol.%TMS中间层上沉积的金刚石涂层刀具的切削性能较好,表现在金刚石涂层与刀具衬底间粘附性能较好,磨损速率较小,被切削加工后的工件表面粗糙度较低。
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