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基于PVD过渡层的金刚石刀具涂层制备及其结合性能研究

【摘要】:CVD金刚石涂层刀具优越的切削性能,使其从上世纪八十年代以来一直是国内外涂层刀具研究的一个热点。经过三十多年的研究,金刚石涂层刀具的研究已经取得了很大进展;在国外,含钴量低于6%的低钴硬质合金上制备金刚石涂层的技术及设备已经比较成熟,国内批量制备金刚石涂层刀具的设备与国外有一定的差距。但低钴硬质合金因为韧性不足,影响到金刚石涂层刀具的使用性能。随着钴含量的提高,硬质合金的韧性和强度显著提高,所以钴含量大于10%的高钴硬质合金具有更广阔的应用范围。 本文开展了钴含量为10%的硬质合金上制备金刚石涂层的研究,主要的研究内容如下: 1.研究了置换法制备铜层工艺。分析了硫酸铜溶液处理硬质合金的表面形貌,优选出合适浓度的硫酸铜溶液。研究了置换法制备铜后,金刚石形核与涂层生长情况,结果表明:在铜过渡层上能生长金刚石膜,但沉积金刚石前会有石墨生成,金刚石膜的结合性能也较差。 2.使用PVD技术制备Cr等金属过渡层。研究了直流磁控溅射的工艺参数对溅射速率的影响;并研究了溅射工艺参数及衬底表面状态对铬过渡层与衬底结合性能的影响规律。结果表明:随着工作气压的增加,附着性能逐渐降低;附着力随着衬底温度的升高先增大后减小;适当提高表明粗糙度可以提高过渡层的结合性能,太大的粗糙度反而降低过渡层的结合性能。从而为制备中间过渡层提供依据。 3.研究了“二步法+过渡层”的预处理工艺。系统探讨了腐蚀时间对金刚石膜生长的影响;分析了基于Nb等过渡层的金刚石成核与生长规律;研究了衬底温度对Nb等过渡层上沉积金刚石膜的影响;分析了金刚石涂层刀具表面钴的扩散情况。实验结果表明:“二步法+过渡层”的预处理工艺要优于单一的二步法或过渡层,不仅提高了金刚石形核密度,还改善了金刚石膜的质量。 4.压痕法评价了金刚石涂层的结合性能。分析了酸洗时间、退火处理、衬底温度及过渡层对金刚石膜结合性能的影响。结果表明合适的酸洗时间能增强膜基结合性能;800℃退火2h的工艺不利于金刚石膜的结合性能;在750~830℃的衬底温度下,衬底温度为790℃时,膜基结合性能更佳;与二步法相比,“二步法+过渡层”提高了膜基结合性能。

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