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

摘要

CVD金刚石薄膜涂层刀具是通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）在硬质合金刀具材料基体上沉积金刚石膜制备而成的。金刚石涂层刀具既具有很高的刀具耐磨性有具有良好的冲击韧性，涂层摩擦系数小，导热性能好，在高硅铝合金、金属基复合材料、有色金属、纤维增强聚合物层压制品等材料的切削加工领域应用前景十分广泛。该种刀具制造工艺相对简单，成本较低，尤其可以通过在刀具基体上直接沉积而制造复杂形状金刚石涂层刀具，如铣刀、钻头等，在难加工材料高速切削加工方面显示出极具潜力的应用前景。 本文针对复杂形状CVD金刚石薄膜涂层刀具的制备技术及在切削加工中应用所涉及到的若干关键性技术问题，如提高基体表面形核率，改善金刚石薄膜与硬质合金刀具基体之间的附着强度和金刚石薄膜涂层刀具的切削加工应用等方面开展研究。 1、对热丝CVD沉积金刚石薄膜的非平衡热力学耦合模型和动力学模型进行研究，重点分析热丝CVD沉积金刚石膜系统中衬底温度场分布及相关因素对于薄膜沉积质量和速率的影响，同时结合实验室所进行的金刚石薄膜制备实验中所获得的实验数据和检测结果，优化金刚石薄膜沉积工艺。 2、研究适合复杂形状硬质合金刀具基体的预处理方法，对传统的酸碱二步预处理方法中的处理参数进行优化，得到可获得高形核密度的最优二步预处理参数。在此基础上，开发一种酸碱二步预处理与微波等离子脱碳还原处理相结合的新型复合预处理方法。通过金刚石薄膜制备试验，研究二步法预处理和复合预处理方法对形核密度和涂层均匀性的影响，通过压痕实验分析二步法预处理和复合预处理方法对于金刚石薄膜附着强度的影响。 3、以带有复杂槽型的硬质合金刀片（SCMT120408-HR）为基体，分别制备不同预处理和涂层类型的金刚石薄膜涂层刀具。通过扫描电镜、拉曼谱等方法研究复杂槽形硬质合金可转位刀片表面不同部分（如切削刃、前刀面、后刀面等处）和截面的金刚石薄膜形貌和特征，并分析预处理方法和沉积工艺对金刚石薄膜表面形貌的影响。通过压痕试验和玻璃纤维增强塑料的车削试验，研究薄膜与基体之间的附着强度、不同涂层制备方法对刀具磨损和加工工件表面粗糙度的影响。 4、以WC-Co（YG6）硬质合金PCB铣刀（STARBIDE455060，F6.35mm）为衬底，通过改进沉积装置，使其适用于复杂形状刀具制备，然后优化预处理工艺和沉积工艺，得到均匀性好，附着强度的金刚石薄膜涂层PCB铣刀。采用玻璃纤维增强复合材料的铣削试验对金刚石涂层刀具的附着强度和切削性能进行评价。