硬质合金工具强电流直流伸展弧等离子体CVD金刚石涂层的均匀性研究

采用自行研制的强电流直流伸展电弧等离子体CVD设备对真空渗硼预处理的YG6刀片进行了金刚石涂层沉积，并对放于有效沉积区域不同位置沉积出的金刚石涂层刀片以及刀片自身不同位置之表面涂层的形貌、厚度、质量进行了分析、研究。结果表明：(1)、硬质合金工具强电流直流伸展弧等离子体CVD金刚石涂层的组织、形貌、厚度、质量都是均匀一致的。(2)、利用强电流直流伸展电弧等离子体CVD设备可进行硬质合金金刚石涂层的批量沉积。     

PCB钻头上金刚石涂层的制备

本文在直径为0.8mm硬质合金钻头上进行沉积金刚石涂层的研究。在沉积之前,先用硝酸和铁氰化钾进行腐蚀处理,以去除表面的Co。用微波等离子体CVD设备进行金刚石的沉积。在金刚石涂层沉积过程中,钻头尖端在微波电磁场中产生辉光放电现象,导致钻头尖端刃部很难获得金刚石涂层。通过使用金属丝屏蔽的方法改变钻头周围的微波电磁场分布,成功的采用微波等离子体CVD法在钻头上沉积出了金刚石涂层。用扫描电子显微镜(SEM),能量色散谱仪(EDS)和激光拉曼光谱(Raman)对钻头的表面形貌和金刚石薄膜的质量进行了表征,同时在铝基复合材料上进行了钻孔测试。结果表明金刚石薄膜表面比较光滑,晶粒尺寸较小,涂层质量良好,薄膜的附着力也较高。     

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况.用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果.     

超光滑金刚石涂层拉拔模具在水润滑条件下的应用

提出微/纳米多层超光滑金刚石复合薄膜的沉积工艺,采用经过改进的热丝CVD沉积装置,能够在孔径d1.0 mm～60 mm的硬质合金拉拔模具内孔表面沉积具有优异耐磨减摩特性的超光滑金刚石复合涂层.采用表面轮廓仪对超光滑金刚石复合涂层拉拔模具的内孔表面进行检测,结果显示拉拔模具入口区、工作区以及定径带位置的表面粗糙度分别为25.7,23.3和25.5 nm.对超光滑金刚石复合涂层的摩擦磨损特性进行考察,结果表明,无论在干摩擦还是水润滑条件下,涂层与轴承钢、铜以及氮化硅陶瓷对摩时的摩擦因数均比常规微米金刚石涂层的低,并且还具有与微米金刚石涂层相当的表面耐磨性.采用制备的超光滑金刚石复合涂层拉拔模具在低碳钢管的拉拔加工过程中实现了基于水润滑的拉拔加工过程,与传统的硬质合金拉拔模具相比,单只超光滑金刚石复合涂层拉拔模具的拉拔产量可提高20倍左右.     

植晶工艺对金刚石涂层硬质合金刀具切削性能的影响

金刚石涂层刀具在高精与硬脆材料加工方面有着巨大的应用潜能。本文研究了纳米金刚石粉超声处理的植晶工艺对金刚石涂层/硬质合金刀具的影响因素。分别对比了传统两步法处理、纳米金刚石粉超声处理、优化超声处理三种预处理效果。采用热丝CVD设备生长CVD金刚石涂层,扫描电子显微镜(SEM)、和拉曼光谱仪(Ramanspectrum)分别用于表征沉积金刚石涂层前后的基底表面形貌及其涂层质量。最后,利用铣削测试研究了所制备的涂层刀具的切削性能。结果表明,三种预处理后的硬质合金表面金刚石取向以及质量相似。经纳米金刚石粉超声后的硬质合金刀具表面生长了很多金刚石"生长瘤",再经酒精超声处理,可消除涂层前刀片表面团簇体,避免瘤的产生,其刀具加工效果得到了较大的提高。     

旋转电弧加热在环状工件内壁沉积金刚石涂层

为实现在大口径环状工件内壁沉积金刚石涂层,研制一种能够产生旋转电弧的分体式等离子炬。利用活动阳极形成的伞状电弧帽,改变平行于轴且向下吹的工作气体旋转电离的方向,使其垂直吹向环状工件内壁。测试不同阳极直径下电弧的工作参数,并用相机拍摄相应的电弧形貌。进行金刚石涂层沉积试验,在内径为180?mm的硬质合金拉拔模具和内径为100?mm的石墨内表面沉积出高质量的金刚石涂层。利用拉曼光谱仪和扫描电镜对涂层的成分、表面形貌等进行测试分析。已沉积金刚石涂层的硬质合金模具成功应用于超高压电缆铝护套的拉拔设备中。      

硬质合金表面化学脱钴对金刚石涂层的影响

以CH3COCH3和H2为反应气源,采用热丝CVD法在经过一步法和碱酸两步法预处理的YG6硬质合金(WC-6％Co)基体上沉积了金刚石涂层.采用扫描电镜、能谱仪、硬度计等对样品进行了分析检测,着重考察了一步法和两步法化学腐蚀脱钴预处理工艺对硬质合金基体表面形貌、钴含量以及其对所得金刚石涂层的形核密度、晶粒尺寸、膜基附着性能等的影响.实验结果表明:无论是一步法还是两步法脱钴预处理工艺,都能去除YG6硬质合金基体表面的钴元素,一步法最佳腐蚀时间为15 min,两步法最佳腐蚀时间为5min,两步法效果强于一步法.在经两步法5min酸蚀脱钴预处理的YG6基体上,获得了膜基粘着性能良好、结晶性能好的微米金刚石涂层.     

热丝CVD金刚石薄膜涂层工具的制备技术及应用研究

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 80 μm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 10 μm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Al2 O3 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     

硬质合金工具的耐磨金刚石涂层

为了改善硬质合金刀具的耐磨性，采用U．S．E^TM工艺生产了高性能的多晶金刚石涂层。通过对WC-6Co％基体表面进行了预处理使得金刚石涂层与基体通过机械夹持作用产生很强的粘附力。用气蚀试验研究了微米结构和纳米结构的多晶金刚石膜的磨损性能。研究了金刚石结构(形态、晶拉度和晶粒取向、粗糙度)、涂层厚度以及涂层与界面之间的粘附性能对磨损机理的影响。在金刚石涂层工具的寿命和使用性能方面，纳米晶金刚石结构在工业应用上显示了很大的潜力。具有平滑表面的纳米结构金刚石比微米结构金刚石更适合做合适的基体(甚至形状复杂的预成形件)的涂层材料。通过增加涂层厚度，强度和断裂韧性等综合性能较好的薄膜(3μm)其优异的耐磨性能进一步提高。     

CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展

CVD金刚石涂层硬质合金刀具结合了金刚石和硬质合金的优异性能,是切削加工的理想材料,具有广阔的发展前景。当前限制CVD金刚石涂层刀具应用的主要问题是金刚石涂层与刀具基体之间的附着性能较差,其主要原因是粘接相Co对CVD沉积存在不利影响以及涂层与基体之间热膨胀系数存在较大差异。本文综述了提高界面结合强度和降低涂层表面粗糙度的方法,重点介绍了在界面添加过渡层来提高界面结合强度,并指出在硬质合金基体和CVD涂层之间添加过渡层和开发纳米CVD涂层是CVD金刚石涂层刀具今后的发展方向。     

Nanocrystalline diamond coating tools for machining high-strength Al alloys

Diamond coating tools have been increasingly used for machining advanced materials. Recently, a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition (CVD) technology was developed to produce diamond coatings which consist of nano-diamond crystals embedded into a hard amorphous diamond-like carbon matrix. In this study, the nanocrystalline diamond (NCD) coating tools were evaluated in machining high-strength aluminum (Al) alloy. The conventional CVD microcrystalline diamond coating (MCD) tools and PCD tools were also tested for performance comparisons. In addition, stress distributions in diamond coating tools, after deposition and during machining, were analyzed using a 2D finite element (FE) thermomechanical model.

The results show that catastrophic failures, reached in all except one machining conditions, limit the NCD tool life, which is primarily affected by the cutting speed. In addition, coating delamination in the worn NCD tools is clearly evident from scanning electron microscopy (SEM) and force monitoring in machining can capture the delamination incident. At a high feed, coating delamination may extend to the rake face. Furthermore, SEM observations of coating failure boundaries show intimate coating-substrate contact. Though the NCD tools are inferior to the PCD tools, they substantially outperform the MCD tools, which failed by premature delamination. The diamond coating tools can have high residual stresses from the deposition and stresses at the cutting edge are highly augmented. Further machining loading causes the stress reversal pattern which seems to correlate with the tool wear severity.     

Analyzing the performance of diamond-coated micro end mills

A method is presented to improve the tool life and cutting performance of 300 μm diameter tungsten carbide (WC) micro end mills by applying thin (<300 nm) fine-grained diamond (FGD) and nanocrystalline diamond (NCD) coatings using the hot-filament chemical vapor deposition (HF-CVD) process. The performance of the diamond-coated tools has been evaluated by comparing their performance in dry slot milling of 6061-T6 aluminum against uncoated WC micro end mills. Tool wear, coating integrity, and chip morphology were characterized using SEM and white light interferometry. The initial test results show a dramatic improvement in the tool integrity (i.e., corners not breaking off), a lower wear rate, no observable adhesion of aluminum to the diamond-coated tool, and a significant reduction in the cutting forces (>50%). Reduction of the cutting forces is attributed to the low friction and adhesion of the diamond coating. However, approximately 80% of the tools coated with the larger FGD coatings failed during testing due to delamination. Additional machining benefits were attained for the NCD films, which was obtained by using a higher nucleation density seeding process for diamond growth. This process allowed for thinner, smaller grained diamond coatings to be deposited on the micro end mills, and enabled continued operation of the tool even after the integrity of the diamond coating had been compromised. As opposed to the FGD-coated end mills, only 40% of the NCD-tools experienced delamination issues.     

沉积温度对硬质合金金刚石涂层附着力影响的研究

采用压痕实验、扫描电镜与激光Raman光谱分析,实验研究了酸浸硬质合金基底上金刚石涂层的附着力随沉积温度的变化.结果表明,涂层质量随沉积温度降低而显著恶化,涂层应力则随沉积温度提高而上升.从提高涂层附着力的角度考虑,存在一个最佳沉积温度.在较低的沉积温度下,涂层自身的质量较低、力学性能较差,在载荷作用下易于破坏.提高沉积温度,涂层自身的质量可得到改善,但基底中的钴向基底表面扩散的倾向加大,而且热应力增大,会严重降低涂层与基底的附着力.除硬质合金基底的预处理工艺外,沉积工艺对金刚石涂层的组织、性能以及附着力均有重要影响.     

纳米金刚石薄膜研究进展

本文对纳米金刚石薄膜的研究现状和发展趋势进行了综合评述，从纳米金刚石薄膜的沉积原理和工艺以及纳米效应表征等方面分析了国内外最新研究成果，比较了常规和纳米金刚石薄膜不同沉积工艺和形核生长机理，对纳米金刚石薄膜的硬度、内应力、摩擦特性等机械性能也作了概述，在此基础上，提出在常规金刚石薄膜基础上沉积纳米金刚石薄膜组成复合涂层的新方法。     

电弧离子镀工艺参数对NiCoCrAlYTa涂层沉积的影响

目的研究工艺参数中的气压、偏压、弧电流对该涂层沉积速率、组织结构、成分的影响。方法采用电弧离子镀技术,利用正交试验改变气压、偏压、弧电流三种工艺参数,在镍高温合金上制备NiCoCrAlYTa涂层,借助SEM分析涂层的截表面形貌,EDS检测涂层成分,金相显微镜检测涂层的孔隙率,3D轮廓仪测量涂层厚度。结果弧电流对沉积速率的影响最大,其次为偏压,最小的是气压;偏压对涂层孔隙率的影响最大,其次为气压,最小的是弧电流。随着偏压的增大,涂层由柱状结构转变成层状结构。随着电流增大,涂层表面大颗粒数量先增后减。涂层成分相对靶材成分都发生了离析,涂层中的Ni、Al含量较靶材的下降,Co、Cr含量较靶材的上升,并且随着偏压的增大,成分离析加剧;随着电流的增加,成分离析先加剧后减弱;气压对成分离析的影响不明显。结论低气压和高电流有利于提高涂层的致密性,并减弱涂层成分的离析,减少涂层中重要元素Al的流失。实验得出的最优工艺为气压0.5 Pa,电流110 A,偏压可根据性能检测进一步优化。     

铝基非晶纳米晶复合涂层的喷涂工艺

为了研究喷涂参数对涂层性能的影响规律,采用高速电弧喷涂技术制备铝基非晶纳米晶复合涂层,利用正交试验法系统研究喷涂电流、喷涂电压、喷涂距离、喷枪移动速度和雾化空气压力对涂层性能的影响规律。优化后的工艺参数为喷涂电流160 A,喷涂电压36 V,喷涂距离200 mm,喷枪移动速度300 mm/s,雾化空气压力0.7 MPa,喷涂参数对涂层性能影响的主次顺序为：雾化空气压力、喷涂电压、喷枪移动速度、喷涂电流和喷涂距离。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）和透射电镜（TEM）对工艺优化后的涂层进行分析,同时对涂层的显微硬度和孔隙率进行了测试。结果表明,采用优化参数制备的涂层组织结构致密,孔隙率为1.13%,硬度可达392 HV0.1,涂层具有明显的非晶纳米晶相,非晶含量约为24.2%。     

WC—8．0％Co基底上微波等离子化学气相沉积金刚石膜

了基片预处理和工艺参数对微波等离子化学气相沉积金刚石涂层WC－8．0％Co刀质量的影响,研究了提高成核密度和沉积速率的方法,用SEM,XRD,激光Raman光谱分析了金刚石涂层质量,用切削试验检测金刚石涂层与刀具基底的附着情况,结果表明,在1：3的稀盐酸中酸洗15min后氨水浸泡10min的基片处理方法能有效地抑制金属钴的溢出,从而提高金刚石涂层的质量,并且使刀具使用寿命提高10倍以上。     

Diamond deposition on hardmetal substrates – Comparison of substrate pre-treatments and industrial applications

Diamond deposition on various hardmetal tools is widely used. For applications where the mechanical forces are low diamond coatings have long lifetimes, but especially for heavy duty applications the reproducibility of the diamond coating adhesion is not adequate.     

氮化铬梯度膜的制备和电化学性能研究

在H13钢基体上制备了几种成分的CrNx双层膜和梯度膜。使用X光电子能谱(XPS)分析了膜层的成分，使用X射线衍射仪(XRD)分析膜层的主要相结构：同时检测了膜层的硬度与工艺参数的关系。系统地研究了膜层的动电位极化曲线，梯度膜能够明显降低膜层的腐蚀电流密度。使用扫描电子显微镜(SEM)，研究了膜层显微结构和性能之间的关系，并提出了双层膜和梯度膜的结构模型。膜层的主要成分、结构都随着氮气分压而改变。随着氮气分压从0．05Pa提高到2Pa，CrNx膜层中的N／Cr原子比从0．08提高到0．67。氮气分压0．05Pa时，双层膜的成分包括Cr(bcc)和Cr2N(hex)，在分压达到2Pa时，膜层主要成分为CrN(fcc)，在梯度膜中有一个CrN(220)择优取向。相对于CrN／Cr／H13双层膜，梯度薄膜的抗腐蚀性能有明显提高。在双层膜上有较多较深的微孔，而在梯度膜表面比较鲜见。