无机非金属材料工程导论论文

标题：高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的研究进展

姓名: 罗敏一

学号：2010440791

班级：无机普2010级01班

高性能CVD金刚石薄膜涂层刀具的研究进展

摘要: CVD金刚石薄膜涂层刀具制造设备投资小，性能价格比高，极富市场竞争力，因而可成为高效高精度切削加工有色金属及其合金、复合材料和硬脆非金属材料的最理想的新一代刀具材料。关键词: CVD金刚石薄膜涂层刀具化学气相沉积法刀具性能

1 引言

金刚石薄膜在力学方面具有许多独特的优良性能，它接近天然金刚石的硬度和耐磨性，具有低摩擦系数、低热膨胀系数、高热导率以及高化学稳定性等特性，从而使其在工模具和耐磨器件领域具有广阔的应用前景,已成为理想的刀具材料。

用金刚石刀具切削硅铝合金等硬质材料时具有加工精度高、切削寿命长、切削力小及加工效率高等优点。随着汽车工业的发展对金刚石刀具需求量越来越大，天然单晶金刚石和人造聚晶金刚石刀具制造工艺复杂成本较高，而用化学气相沉积方法在硬质合金表面生长一层金刚石薄膜制成的刀具具有金刚石的特性，而且制造简单成本较低，是较好的替代品。目前国内外研究单位都在积极开发金刚石薄膜涂层刀具，但未形成规模生产和应用，原因是涂层工艺基体材料及刀具几何参数还不能保证。

CVD金刚石薄膜涂层刀具是在刀具基体上直接沉积金刚石薄膜，因而适用于制造复杂形状的刀具。与其他金刚石刀具相比，CVD金刚石薄膜涂层刀具制造设备投资小，性能价格比高，极富市场竞争力，因而可成为高效

高精度切削加工有色金属及其合金、复合材料和硬脆非金属材料的最理想的新一代刀具材料。

2 CVD金刚石薄膜涂层刀具制备工艺-化学气相沉积法(CVD)

化学气相沉积(CVD)属于原子沉积类，是利用气态的先驱反应物通过原子、分子间化学反应的途径生成固态涂层的技术。基于此特点，CVD过程大多在相对较高的压力和较高的沉积温度环境下进行，因为较高的压力有助于提高涂层的沉积速率。较高的沉积温度可保证化学反应的顺利进行。CVD涂层工艺温度约为1 000℃，结合力可靠，但也带来了一些性能上的缺陷，如刀具切削刃需经过钝化预处理，刀具表面易出现残余拉应力，且不能用于高速钢刀具表面涂层；另外CVD技术的沉积温度太高，超过了许多材料的热处理温度，在这样高的沉积温度下。镀层和硬质合金基体材料都面临着晶粒长大和失碳问题，从而产生一种或几种复式碳化物，即所谓的η相，且通常生成在涂层和基体的界面特别是刃口上。这种相很脆，降低硬质合金的抗弯强度，同时增大刃口的脆性，从而导致刀刃在使用过程中过早损坏。

涂层表面状态和切削用量对金刚石薄膜涂层刀具损坏形式有很大影响。未研磨的金刚石薄膜涂层刀具表面较粗糙，切屑沿前刀面流出时摩擦阻力较大，切削铝合金等时被切削材料容易在前刀面粘附并进而形成较大的积屑瘤，切削过程中积屑瘤频繁脱落，将对金刚石薄膜产生周期性的剥离作用，从而容易使金刚石薄膜从基体剥落。相反，对金刚石薄

膜涂层刀具前刀面进行适当的研磨后，切屑在前刀面的粘附大幅度下降，只在刀刃处有较小的积屑瘤产生，金刚石薄膜涂层刀具的切削性能得到极大提高，可以较高的切削速度进行长时间稳定切削

（图）7 切削用量对金刚石薄膜涂层刀具损坏形式的影响

2.1CVD金刚石薄膜涂层刀具原料

硬质合金

硬质合金是由难熔金属碳化物(wc，Tic等)和金属粘结剂(如Co)的粉末高温下烧结而成的，硬质合金可分为WC基和TiC基两

大类。我国最常用的碳化钨基硬质合金有钨钻类和钨钛钴类。

(1)wc—co(YG)类硬质合金，这类合金由wC和Co组成。常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，含Co量分别为3％、6％、6％、8％，主要用于加工铸铁及有色金属。

(2)wc～Tic—co(YT)类硬质合金，这类合金中的硬质相处wc

外，还含有5～30％的TiC。常用牌号有YT5、YTl4、YTl5及YT30，Tic含量分别为5％、14％、15％和30％，相应的钴含量为10％、8％、6％及4％，主要用于加工钢料。随着合金成分中Tic含量的提高和co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。与YG 类硬质合金比较，YT类台金的硬度提高了，但抗弯强度、特别是冲击韧性却显著降低。

(3)WC—TiC—Tac(NbC)一Co(YG)类硬质合金，这是在YT 类硬质合金成分中加入一定数量的Tac(Nbc)，常用牌号有Ywl和Yw2，加入Tac(№c)可提高抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性，这类合金既可加工铸铁和有色金属，也可加工钢，因此常称为通用硬质合金。

以上三类都是wc基硬质合金，在实际生产中较为常用，表1为常用硬质合金的化学成分、机械性能及用途。

2.2CVD金刚石薄膜涂层刀具制造

1）表面预处理

①表面的净化与粗化

基体表面净化、粗化处理的主要目的是清除硬质合金刀具在制造过程中不可避免地残留在基体表面上的污染物、吸附物、氧化物, 改变基底表面的微观结构, 去除表面附着强度较低的WC颗粒, 增加反应气源与基体的接触面积, 增加基底表面的表面能, 提高金刚石在硬质基体上的成核密度, 从而增强膜/基的附着力。常用方法有: 化学清洗、液体超声清洗、机械研磨微粉镶嵌、液体超声处理等。

②表面植晶处理

表

1

由于金刚石的表面能较高, 故一般很难在非金刚石基体上形核。但在基体表面上, 采用金刚石粉(金刚石膏) 研磨, 去除强度不高

的WC颗粒, 同时利用金刚石粉

末研磨基体所产生的种子效应等, 都可大大提高金刚石的形核密度。据报道, 采用纳米级的金刚石粉对硬质合金基体进行超声研磨, 可获得较高的形核密度( 2 ! 1011 cm- 2 ) , 从而在很大程度

上提高了金刚石薄膜与基体的附着力。

2）去除或稳定刀具基体表面层Co

大量试验的结果表明, 硬质合金基体中作为粘结相的Co不

仅抑制金刚石的形核和生长, 而且还会降低金刚石涂层的质量与基体的附着力。为了抑制粘结相金属Co的不利影响, 国内外进行了大量的试验研究, 结果表明,

采用酸刻蚀、等离子体刻蚀、化学试剂纯化、等离子体钝化、化学反应置换Co、激光辐照等方法, 基本上消除了Co粘结相的不利影响, 从而提高了金刚石膜与硬质合金刀具基体的粘结性能。3）施加中间过渡层

金刚石与大部分基体材料的物理性质差别较大。为消除薄膜与基底因晶格失配、热膨胀系数差异而造成的内应力, 同时阻止在沉积过程中薄膜与基底之间直接发生反应, 防止碳过渡渗入基底及Co在沉积温度下从基底深处向表面扩散, 从而影响金刚石的生长, 可先在基体上生长一层或多层( 厚度为0. 01 ~1μm )物理性质介于基体材料与金刚石薄膜之间的过渡层。在选用中间过渡层时应遵循几点原则:①热膨胀系数适中, 可释放金刚石薄膜与基体之间的热应力;②与金刚石薄膜和硬质合金要有较好的粘结性能;③化学性能稳定, 具有一定的机械强度;④能与Co反应生成稳定的化合物, 或阻止Co