【摘要】：金剛石是由sp~3雜化的碳碳共價(jià)鍵的原子晶體,面心立方結(jié)構(gòu),具有高硬度、抗磨損、高導(dǎo)熱率和低摩擦系數(shù)等優(yōu)異特點(diǎn)。金剛石薄膜是硬質(zhì)涂層材料中的最佳選擇,可作為涂層刀具的涂層材料。金剛石涂層刀具廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域,在切削高硅鋁合金、陶瓷、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、石墨等難加工材料方面,表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。本文使用熱絲化學(xué)氣相沉積法(HFCVD),在碳化鎢鈷基硬質(zhì)合金片和硬質(zhì)合金立銑刀上制備不同表面結(jié)構(gòu)的單層金剛石涂層和不同調(diào)制周期的多層微/納金剛石涂層,利用掃描電子顯微(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜(Raman)和原子力顯微鏡(AFM)等對(duì)金剛石涂層結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行表征;使用拉曼光譜儀和X射線衍射儀對(duì)不同結(jié)構(gòu)涂層進(jìn)行應(yīng)力分析;利用壓痕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究不同結(jié)構(gòu)的金剛石涂層與碳化鎢硬質(zhì)合金的結(jié)合性能;利用數(shù)控加工中心系統(tǒng)研究不同結(jié)構(gòu)金剛石涂層刀具的切削性能,并初步探索硬質(zhì)合金基金剛石刀具涂層脫落機(jī)理。本文利用熱絲化學(xué)氣相沉積法制備金剛石生涂層,其基本生長規(guī)律如下:隨著基底溫度、甲烷濃度、腔室壓強(qiáng)的提高金剛石涂層的生長速率隨之提高,其中甲烷濃度對(duì)金剛石的生長質(zhì)量影響最為明顯;隨著甲烷濃度的升高金剛石涂層表面由1-3μm的金剛石晶粒減小至幾十納米,由于表面金剛石晶粒細(xì)化,涂層粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),同時(shí)金剛石涂層中非金剛石相也隨之上升,金剛石涂層由柱狀晶生長方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米堆積生長方式;通過調(diào)節(jié)甲烷濃度,在無偏壓條件下,利用熱絲化學(xué)氣相沉積方法成功制備出不同調(diào)制周期(600 nm,300 nm和100 nm)的多層金剛石涂層結(jié)構(gòu)。本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)金剛石涂層殘余應(yīng)力及涂層力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究得到如下結(jié)果:單層微米金剛石涂層的殘余應(yīng)力最大,為-3.06 GPa,但是微米金剛石與硬質(zhì)合金基底有較強(qiáng)的機(jī)械鎖合效應(yīng),出現(xiàn)涂層小面積脫落和較寬的裂紋擴(kuò)展區(qū)域;單層納米金剛石涂層殘余應(yīng)力最小,為-2.27 GPa,但是納米金剛石在硬質(zhì)合金界面處形成大量sp~2碳,與基底結(jié)合性能最差。多層微/納米金剛石涂層與微米金剛石涂層相比,由于在微米金剛石的基礎(chǔ)上引入了納米金剛石層,降低涂層殘余應(yīng)力最小至-2.55 GPa,提高了涂層韌性,我們發(fā)現(xiàn)以300 nm為生長周期的多層結(jié)構(gòu)在壓痕實(shí)驗(yàn)中性能最為優(yōu)異,可以有效的抑制裂紋擴(kuò)展。本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)的單層金剛石和微/納米多層金剛石涂層刀具進(jìn)行切削性能研究得到如下結(jié)論:除100 nm調(diào)制周期的多層結(jié)構(gòu)金剛石涂層刀具外,另外兩種多層金剛石刀具(600 nm和300 nm)切削性能整體優(yōu)于單層金剛石涂層刀具,其中以300 nm為調(diào)制周期的涂層刀具性能最為優(yōu)異,切削長度為1130 m時(shí),刀刃涂層仍然保持完整,而單層金剛石涂層刀具在切削初期刃部出現(xiàn)了明顯的涂層破損。通過對(duì)刀刃處涂層破損觀察發(fā)現(xiàn),微米金剛石涂層由于脆性大,以柱狀晶解離的方式脫落;而多層金剛石涂層韌性高,前期涂層以磨損的形式被消耗,當(dāng)刃部涂層磨損至一定厚度時(shí),涂層受到的剪切力會(huì)驟然升高,從而引起涂層的脫落。根據(jù)以上多層金剛石涂層失效機(jī)理,下一步優(yōu)化多層微米/納米金剛石涂層制備工藝,可以通過提高涂層的整體厚度,或者增加單層微米金剛石厚度來增加涂層的耐磨性。
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG71
【圖文】：

圖 1.1 (a)金剛石晶體結(jié)構(gòu)；(b)金剛石結(jié)構(gòu)晶胞[2]Figure 1.1 (a) structure and (b) unit cell of diamond實(shí)驗(yàn)表明 5-10 μm 的金剛石涂層可以提高刀具約 10 倍使用壽命[3]。此外金剛石有較低的摩擦系數(shù)(0.1)，是碳化鎢硬質(zhì)合金摩擦系數(shù)低 1/6 左右，因此金剛石還應(yīng)用于拉拔模具以及密封材料上。表 1.1 金剛石力學(xué)性能對(duì)比[4]Table 1.1 Mechanical properties of diamond天然金剛石 微米金剛石 碳化鎢 氮化硅硬度(GPa) 100 50-100 23 18-20楊氏模量(GPa) 1050 820-900 - 120-320斷裂強(qiáng)度(GPa) 2.8 0.34-1.38 0.6-0.8 0.15-1.2動(dòng)摩擦系數(shù) 0.05-0.1 0.035-0.3 0.3-1.2 0.3-0.8

Table 1.2 Electrical properties of diamond電學(xué)性能 金剛石介電常數(shù) 5.5禁帶寬度(eV) 5.45電阻率( ·m) 1016電子遷移率(cm2·V·s)-12200空位遷移率(cm2·V·s)-11600擊穿電壓(V·cm-1) 3.5×106高純金剛石透光性能優(yōu)異，只有在 4- μm 波長范圍內(nèi)有吸收峰外，不存在其他的吸收峰，是良好的窗口材料，應(yīng)用于超音速飛行器紅外窗口，如圖 2.1(a)所示，其光透過率可達(dá)到 70%以上。因此金剛石在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，還可應(yīng)用于高功率工藝CO2激光窗口和高功率微波窗口。金剛石具有較高的折射率，高折射率的金剛石表面可以發(fā)生完全反射，應(yīng)用于太陽能電池光反射膜和光學(xué)鏡頭的保護(hù)膜。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2734604