CVD金刚石涂层刀具的制备及其切削性能研究

论文摘要

CVD金刚石涂层刀具在汽车、航空和航天工业等领域具有巨大的应用前景,但要实现CVD金刚石涂层刀具的工业应用仍有许多基础性问题需要解决。如何改善CVD金刚石涂层与刀具基体之间结合性能,提高硬质合金基体上CVD金刚石涂层的使用性能,一直是人们关注的焦点。本文采用理论与试验相结合的研究方法,选用硬质合金基体作为研究对象,探讨各种因素对刀具上CVD金刚石涂层使用性能的影响,研究高性能CVD金刚石涂层刀具的制备工艺,为CVD金刚石涂层刀具的基础研究及实现CVD金刚石涂层刀具的工业应用奠定了重要基础。本文的主要工作包括:1.根据断裂力学理论,建立了初始裂纹状态的金刚石涂层与基体的微孔洞界面模型,得到了界面裂纹应力强度因子。研究了金刚石涂层的剥离过程,界面裂纹扩展、涂层裂纹萌生、断裂的机制。针对硬质合金基体上CVD金刚石涂层剥落的机制,提出提高膜/基结合性能的措施。2.分析了反应气体流场对CVD金刚石涂层的影响,建立了HFCVD系统中反应气体流场的模型,对HFCVD系统的反应气体流场进行了有限元仿真研究。研究了系统的结构参数对刀具衬底周围反应气体流场的影响,对采用镂空结构衬底工作台的反应气体流场进行了有限元仿真和试验研究。3.研究了基体温度场对刀具上CVD金刚石涂层的影响,设计了一套升温迅速、降温缓慢的高热阻镂空衬底工作台,该镂空衬底工作台适合于CVD金刚石涂层刀具的高效制备。建立了HFCVD系统的刀具基体温度场模型,研究了热丝数量、灯丝与刀具基体距离、热丝半径等参数对刀具基体温度的影响。获得了采用镂空衬底工作台时刀具基体前、后刀面都适合CVD金刚石涂层生长的优化参数。4.研究了界面材料、界面状态、植晶等因素对膜/基界面结合性能的影响。研究了不同的刻蚀WC和脱Co工艺对膜/基界面的影响,开发了梯度法膜/基界面预处理工艺,通过膜/基结合界面设计,获得有利于CVD金刚石膜的成核和生长,有利于提高膜/基结合性能的膜/基结合界面。梯度法是一种高效、简单、低成本的预处理工艺。5.利用纳米压痕仪测试了硬质合金基体上CVD金刚石涂层的弹性模量,采用X射线衍射仪和Raman光谱仪测量了硬质合金基体上CVD金刚石涂层的残余应力。研究了循环水强冷的衬底工作台和镂空衬底工作台上沉积的CVD金刚石涂层的残余应力,利用压痕法评价了硬质合金基体上CVD金刚石涂层的膜/基结合性能。6.进行CVD金刚石涂层刀具的切削试验,通过切削试验评价了CVD金刚石涂层刀具的使用性能。结果表明制备的CVD金刚石涂层刀具具有良好的抗粘着性,较低的切削力,刀具耐用度大大提高,CVD金刚石涂层刀具适合高硅铝合金活塞的加工。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 CVD 金刚石的性能及其在刀具领域的应用
• 1.2.1 CVD 金刚石性能及其应用
• 1.2.2 CVD 金刚石刀具
• 1.3 CVD 金刚石涂层刀具研究进展
• 1.3.1 沉积方法与机理
• 1.3.2 基体预处理
• 1.3.3 过渡层
• 1.3.4 低温生长
• 1.3.5 高速与高效生长
• 1.3.6 CVD 金刚石涂层的评价
• 1.4 研究意义和研究内容
• 第二章 刀具CVD 金刚石涂层剥离机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 CVD 金刚石涂层的微孔洞界面模型
• 2.2.1 断裂及裂纹
• 2.2.2 界面上涂层的微孔洞
• 2.2.3 微孔洞界面模型
• 2.3 涂层的剥离
• 2.3.1 界面裂纹扩展
• 2.3.2 涂层裂纹萌生
• 2.3.3 断裂
• 2.4 影响涂层剥落的因素
• 2.4.1 吸附力
• 2.4.2 界面处的嵌结作用
• 2.4.3 成核密度
• 2.4.4 残余应力
• 2.5 本章小结
• 第三章 CVD 金刚石沉积系统反应气体流场研究
• 3.1 引言
• 3.2 反应气体流场概述
• 3.2.1 沉积系统及沉积条件
• 3.2.2 反应气体流场对CVD 金刚石涂层的影响
• 3.2.3 流场模型
• 3.2.4 反应气体特性
• 3.3 反应气体流场的仿真研究
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 求解
• 3.3.3 仿真结果及分析
• 3.3.4 镂空结构的衬底工作台流场仿真
• 3.4 试验研究
• 3.4.1 试验条件
• 3.4.2 试验结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 刀具基体温度研究与高热阻衬底工作台设计
• 4.1 引言
• 4.2 刀具基体温度研究
• 4.2.1 基体温度的作用
• 4.2.2 刀具基体能量交换
• 4.2.3 刀具基体温度的测量
• 4.3 高热阻衬底工作台
• 4.3.1 强制冷却衬底工作台存在的问题
• 4.3.2 高热阻镂空衬底工作台设计
• 4.3.3 刀具基体温度仿真与试验研究
• 4.4 金刚石涂层制备试验
• 4.4.1 金刚石成核
• 4.4.2 金刚石生长
• 4.4.3 多试件制备
• 4.5 本章小结
• 第五章 膜/基结合界面研究
• 5.1 引言
• 5.2 膜/基界面结合性能的影响因素及测试方法
• 5.2.1 膜/基界面结合性能的影响因素
• 5.2.2 膜/基界面结合性能的测试方法
• 5.3 基体预处理及膜/基界面研究
• 5.3.1 刻蚀不均匀问题
• 5.3.2 一次脱Co 试验
• 5.3.3 刻蚀深度研究
• 5.3.4 梯度法表面预处理
• 5.4 本章小结
• 第六章 CVD 金刚石涂层的残余应力研究
• 6.1 引言
• 6.2 涂层残余应力的构成
• 6.3 涂层残余应力的试验研究
• 6.3.1 试验方法
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.4 残余应力对膜/基结合性能的影响
• 6.5 高性能CVD 金刚石涂层刀具的制备
• 6.6 本章小结
• 第七章 CVD 金刚石涂层刀具的切削试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 切削试验研究
• 7.2.1 研究概况
• 7.2.2 试验条件
• 7.2.3 结果与讨论
• 7.2.4 发动机活塞加工
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.1.1 主要研究内容与成果
• 8.1.2 主要创新点
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录 博士期间完成的科研项目与取得的成果