金刚石膜涂层硬质合金工具研究进展及产业化前景

金刚石具有最高的硬度，极低的摩擦因数，最高的热导率和极佳的化学稳定性，因此是最理想的工具涂层材料。由于金刚石膜涂层硬质合金工具可能具有金刚石的硬度和硬质合金的强韧性的结合．因此20余年来一直受到世界各国的普遍关注。本文综述了金刚石膜涂层硬质合金的研发历史与现状，并针对目前的市场状况和未来的发展进行了评述。     

金刚石涂层硬质合金刀具涂层的研究和应用进展

通过对硬质合金基体前处理,金刚石涂层形核、生长以及金刚石涂层刀具在加工高硅铝合金、特种石墨和复合材料等材料中的应用的研究分析,揭示出低的金刚石涂层与基体的结合力是涂层刀具失效的主要原因。特种石墨、高硅铝合金和复合材料具有不同的加工特性,加工对应材料所需金刚石涂层类型应有所区别,具有较高结合力的微米/纳米复合涂层是通用性较好的涂层。具有产能大、工艺稳定、刀具质量可靠、生产效率高的成套设备是未来金刚石涂层刀具生产装备的发展方向。     

CVD金刚石涂层硬质合金刀具的研究进展

概述了CVD金刚石涂层硬质合金刀具的研究现状及存在的问题,重点对近五年CVD金刚石涂层硬质合金刀具基体预处理方法、涂层内应力的表征方法等方面的研究现状进行了综述。     

细晶粒硬质合金预处理工艺优化及金刚石涂层性能研究

为了进一步拓展金刚石涂层刀具的产业化应用,提升金刚石涂层刀具的结合力性能,本文开展了细晶粒钨钴类硬质合金的化学预处理研究,考察了三步法预处理工艺对不同晶粒度基体形貌和成分的影响,实现了金刚石涂层与基体的高结合强度。利用扫描电子显微镜和EDS能谱仪对预处理后基体的表面形貌和钴含量以及涂层形貌进行分析,采用拉曼光谱、X 射线衍射光谱对涂层物相结构进行分析表征,并利用固体颗粒冲刷评价金刚石涂层的抗冲刷性能。结果表明:酸处理对Co的去除起着重要作用,WC晶粒越小所需酸处理的时间越长,碱处理对WC的刻蚀能力表现出先增大后减小的趋势,在3min时达到最大Co暴露量。由此分别确定了WC-6%Co(0.2,0.4,1.0 μm)基体三步法最佳工艺,三步法预处理后的基体均获得均匀致密,晶粒取向为(111)面,抗冲刷性能优异,膜基结合性能好的金刚石涂层。     

硬质合金金刚石涂层的附着性能

将表面低Co含量(Co含量≈0.38wt%)的硬质合金基体在微波等离子体化学气相沉积装置中进行金刚石涂层,用扫描电镜(SEM)对金刚石涂层进行形貌分析,用EDAX确定硬质合金表面Co的含量,用压痕法和划痕法评价金刚石涂层与基体间的附着性。研究结果表明:不同厚度的金刚石涂层均具有良好的晶型。虽然涂层厚度增加,但是基体表面Co含量较少,是形成涂层/基体附着性能良好的主要原因,6μm的金刚石涂层具有较好附着性能。     

在硬质合金基体上涂覆含有金刚石和其他硬质材料的多层涂层

为了改善硬质合金切削刀具的耐磨性，确立了硬质材料的涂层。特别是多层涂层的生产仍是工业和学术研究的课题，它综合不同材料有用的性能。目前的工作研究了作为基本涂层的金刚石与TiC、TiN、Ti(C,N)和Al2O3等保护的CVD涂层结合的可能性。所有这些结合都可以得到实现，并在张应力下已显示出了相当好的粘结强度，为技术应用提供可能。     

冷喷涂硬质合金耐磨涂层研究进展

硬质合金涂层具有高耐磨性与高耐腐蚀性等优势,因此广泛应用于冶金等领域的耐磨、耐蚀防护中。采用传统热喷涂技术制备硬质合金涂层,其高温会导致涂层材料产生相变、氧化、脱碳等问题,从而损害涂层的服役性能。冷喷涂技术作为一种新兴的涂层制备技术,具有低温的特点,可避免传统热喷涂方法所带来的涂层质量问题,成为硬质合金涂层制备的潜在技术。在简述冷喷涂技术原理及其沉积机理的基础上,综述了冷喷涂制备硬质合金耐磨涂层(如WC-Co、WC-Ni、Cr3C2-NiCr等),以及影响涂层硬度、耐磨性等力学性能的主要因素,包括硬质相、黏结相的种类、含量和尺寸等。综合比较了冷喷涂与超音速火焰喷涂制备的硬质合金涂层的耐磨性能,分析了后处理(喷后热处理、搅拌摩擦处理)对冷喷涂硬质合金涂层耐磨性的影响。最后,提出了冷喷涂技术在硬质合金耐磨涂层制备方面的局限性,并对未来发展进行了展望。     

金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理研究新进展

从孔隙的形成、界面非金刚石物的形成以及较高残余应力等3个不利方面,分析和综述了影响金刚石涂层与硬质合金基体粘结性的主要因素。着重对浸蚀基体表面除去Co相或浸蚀WC相,在基体与涂层之间形成中间过渡层或中间化合物,基体表面机械或热处理等硬质合金基体表面预处理,改善涂层与基体粘结性的3种方法和途径进行了阐述。     

整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置

整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置主要包括：热丝电源、减速电机、密封回转装置、密封垫圈、石英管、基体支撑台、直流偏压源、底座密封垫圈、底座、进水管、抽气管道、出水管、反应室、热敏电阻、热丝、铜质导气管、质量流量计、气瓶。针对整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层时的刀具基体结构特点和涂层要求，     

硬质合金金刚石涂层工具基体前处理有效方法探讨

利用两种溶液浸蚀硬质合金表面，分别选择性刻蚀WC和Co.这不仅强粗化了硬质合金表面，而且，还能抑制CO在金刚石沉积过程中的负作用，从,而，提高了金刚石薄膜的质量和涂层的附着力。     

沉积温度对硬质合金金刚石涂层附着力影响的研究

采用宝痕实验、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处,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。     

硬质合金粉末表面电泳沉积制备金刚石涂层

采用电泳沉积法在硬质合金粉末表面涂覆金刚石涂层,分析硬质合金含量和MgCl₂·6H₂O含量对涂层沉积效果的影响,并对制备的涂层粉末进行性能表征。结果表明:电泳沉积法可实现硬质合金粉末表面涂覆金刚石涂层;硬质合金粉末为28.0 g,金刚石粉末为4.0 g,MgCl₂·6H₂O为1.0 g时,制备的金刚石涂层均匀且致密度好。      

DLC膜涂层硬质合金刀具的研究进展

类金刚石(DLC)膜涂层刀具的硬度高、摩擦系数低、耐摩擦和耐腐蚀性能强、抗粘结性能好,并且可以用来制作复杂、异型刀具,是未来刀具的一个重要发展方向。本文介绍了DLC膜的表面显微结构和Raman光谱并列举了DLC的制备方法 (包括磁控溅射、离子束沉积、脉冲激光沉积、真空阴极电弧沉积、等离子体增强型化学气相沉积)与分类。从酸蚀法、施加过渡层、表面微喷砂处理和掺杂4个方面分析如何提高膜基结合力,探讨了DLC膜的摩擦性能受湿度、温度和加工条件的影响。例举了几个国内外DLC涂层硬质合金刀具的使用范例,指出了目前研究工作的不足之处,提出了下一步研究工作的重点是优化DLC膜的制备工艺、提高膜基结合力和热稳定性以及加强DLC涂层硬质合金刀具的磨损机理研究。     

金刚石涂层硬质合金刀具的应用

金刚石涂层的第一步是通过喷砂,机械糙化基体表面,然后用硝酸进行化学酸洗,对于加工塑料、木材和石墨具有足够的粘结性能。为了进一步改善,设计出了二步浸蚀方法。第一步,用M urakam i浸蚀剂浸蚀W C,因而增加表面粗糙度,且未覆盖钴粘结层。第二步,用Caro酸(过氧硫酸)浸蚀钴。得     

低表面粗糙度金刚石涂层刀具的制备

降低表面粗糙度是改善金刚石涂层刀具使用性能的有效手段.采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石膜,通过在沉积过程中调整工艺参数,先后在硬质合金基体上沉积了2层不同的金刚石薄膜.研究了基体位置、甲烷浓度等对薄膜表面形貌的影响.用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和压痕法对样品进行了分析测试,结果表明,该方法在保证金刚石涂层质量的同时有效降低了薄膜表面的粗糙度,表面粗糙度值Ra＜0.2 μm.