CVD金刚石涂层刀具的制备

摘要

金刚石薄膜用作涂层材料，对于切削加工钛合金、铝硅合金及复合材料等难加工材料具有重要意义。金刚石涂层刀具利用金刚石高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、高热导率等优点，结合硬质合金良好的韧性，成为切削加工的理想刀具。因此，开发制备金刚石涂层刀具具有重要意义。本文以H2和CH4为反应气体，用EA-HFCVD法在硬质合金钻头上制备金刚石薄膜。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱、切削实验对金刚石薄膜的形貌、成键形式、切削性能进行了表征。以H2和TMS为反应气体，用EA-HFCVD法在Si基体上制备SiC薄膜，用扫描电子显微镜、XRD、电子探针、拉曼光谱和纳米压痕对薄膜形貌、物相、成分、成键形式及力学性能进行表征。在硬质合金平面刀片上沉积了SiC中间层及顶层金刚石薄膜，用扫描电子显微镜、XRD及拉曼光谱对薄膜形貌、物相及成键方式进行表征。本论文研究的主要结果如下:
　　(1)在硬质合金钻头上涂覆了质量较好的金刚石涂层，金刚石涂层质量受基体钻头影响，一方面基体表面加工缺陷会明显的反映在金刚石薄膜上，另一方面杂质元素扩散导致薄膜沉积后出现夹杂相，且这些影响均集中于涂层钻头刀刃位置，导致刃部质量变差;切削结果表明，金刚石涂层钻头切削碳纤维板时磨损量小，钻孔质量高，钻速为20000转/分时钻孔效果最好，并且切削后未发现薄膜脱落现象。
　　(2)通过提高灯丝电流，提高温度，在Si片上得到致密性很好的SiC薄膜，气压对SiC薄膜生长有很大影响，不同气压下制备得SiC均为立方碳化硅。随着气压降低，薄膜晶粒变小，致密度提高。0.3kPa下薄膜最致密，硬度和弹性模量达到19GPa和248GPa。
　　(3)将致密SiC薄膜沉积参数运用到YG6X平面刀具上制备得到致密性良好的SiC中间层，SiC沉积过程中CoSi相的形成有利于阻止Co的扩散，继续生长金刚石得到质量较好的金刚石薄膜。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 金刚石

1．1．1 金刚石结构及性能

1．1．2 CVD金刚石薄膜

1．2 CVD金刚石涂层刀具

1．2．1 硬质合金

1．2．2 硬质合金基体与金刚石薄膜的粘附性

1．2．3 碳化硅中间层

1．2．4 金刚石涂层刀具发展概况

1．4 本论文的研究目的与内容

2 实验

2．1 薄膜沉积原理

2．2 薄膜沉积设备

2．2．1 真空系统

2．2．2 电源系统

2．2．3 冷却系统

2．2．4 配气系统

2．2．5 测温装置

2．3 薄膜制备参数

2．3．1 灯丝碳化

2．3．2 基体预处理

2．3．3 偏流偏压

2．3．4 金刚石薄膜偏压形核

2．3．5 金刚石薄膜沉积条件

2．3．6 SiC薄膜沉积条件

2．4 表征方法

2．4．1 扫描电子显微镜

2．4．2 X射线衍射

2．4．3 电子探针分析

2．4．4 拉曼光谱分析

2．4．5 纳米压痕

2．4．6 工具显微镜

2．5 切削实验

3 实验结果与分析

3．1 硬质合金钻头上沉积金刚石薄膜

3．1．1 表面形貌

3．1．2 拉曼光谱

3．1．3 切削实验

3．2 硅片上沉积SiC薄膜

3．2．1 表面形貌

3．2．2 截面形貌

3．2．3 相结构

3．2．4 成分

3．2．5 拉曼光谱

3．2．6 纳米压痕

3．3 YG6X硬质合金刀片上沉积SiC中间层与顶层金刚石薄膜

3．3．1 表面形貌

3．3．2 相结构

3．3．3 拉曼光谱

4 讨论

4．1 硬质合金基体对顶层金刚石薄膜的影晌

4．2 热丝温度对SiC薄膜的影响

4．3 气压对SiC薄膜的影响

4．4 SiC薄膜成分

4．5 SiC中间层

结论

参考文献

致谢