热丝CVD金刚石薄膜涂层工具的制备技术及应用研究

摘要

本文通过电子增强热丝CVD方法在硬质合金基体上沉积金刚石薄膜,对硬质合金基体进行酸洗、表面研磨处理后用气相沉积方法沉积约1μm厚的金属W膜层,在形核初期采用逐渐升高的偏流以去除表面形成的非晶C膜,并增加金刚石的形核密度和增强W的扩散作用,形成多种W-C化合物以增强金刚石薄膜与硬质合金基体的结合力,通过这种工艺制备了与基体结合力良好的金刚石薄膜.采用两种途径制备金刚石薄膜涂层工具,其一为在YG6硬质合金圆片上沉积约80μm的金刚石薄膜,经激光切割成6mm×6mm的合金片,用砂轮抛光,焊接在钢制刀柄上,经刃磨后制作成木工工具刀头;另一是直接在YG6硬质合金钻头这种复杂形状工具上沉积约10μm厚的金刚石薄膜制成金刚石工具.对两种工具分别进行使用性能测试,木工工具用于加工Al2O3复合木地板,测试结果表明金刚石薄膜涂层木工工具与硬质合金工具相比,使用性能有明显提高,寿命提高一倍以上,但由于刀刃后角处无金刚石层保护,使用中出现明显的后角磨损,未能达到理想效果;金刚石涂层钻头用于加工硬质合金时在使用初期有明显效果,但由于磨损很快,使用寿命低,经观察分析,主要是由于金刚石膜晶粒粗大造成表面光洁度不高,使用中刀刃处的金刚石薄膜涂层易于出现应力集中在单个晶粒上,造成金刚石晶界的断裂而使颗粒脱落,或裂纹扩展,金刚石薄膜出现非正常磨损.解决第一个问题的关键技术在于在硬质合金基体上沉积厚度大于300μm的金刚石薄膜,使后角磨损出现在金刚石膜层上,有望超过复合片的性能;第二个问题的关键技术在于制备超微细晶粒的金刚石薄膜并对目前的钻头结构进行改进,提高金刚石膜的表面光洁度和改变钻头的工作方式,避免非正常磨损的出现,有望在超硬材料的加工中得到应用.