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《大连理工大学》 2010年
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碳基纳米复合薄膜及应用研究

李红凯  
【摘要】: 现代制造业的快速发展对金属切削刀具提出了越来越高的要求,硬质合金作为刀具基材已呈现出完全取代高速钢的趋势。近年来,随着加工更加快速、连续、加工材料更加复杂以及加工尺度更加微小的精细加工业的快速发展,一种超细晶粒尺度(低于0.3μm)的硬质合金应运而生,其强度、韧性以及抗摩擦磨损等性能都达到了前所未有的水平,大大提高了切削工具的使役性能。然而通过采用晶粒细化等方法来提高硬质合金综合性能越来越困难,涂层技术是进一步提高硬质合金工具综合性能的唯一途径。当前,由于硬质合金基材的综合性能不断提高,刀具的加工条件更加苛刻,所以采用传统的硬质薄膜如TiN、TiAlN及Ti/TiN等难以起到明显的改性作用。因此,设计和制备与超细晶硬质合金相匹配的新型薄膜材料是本领域亟待解决的重要问题。 类金刚石(DLC)薄膜具有很低的摩擦系数,可作为超细晶硬质合金表面改性的首选材料,但其很低的热稳定性对它的应用起到了制约作用。本论文旨在设计并获得与超细晶硬质合金相匹配的复合薄膜体系,通过在DLC薄膜中同时掺杂Me (Me=Cr, Zr, V)与N来获得在DLC非晶基体上包含有MeN晶体的非晶—纳米晶复合材料,在降低薄膜内应力的同时使薄膜保持高硬度、低摩擦性与高热稳定性,提高薄膜的综合性能,达到超细晶硬质合金表面改性用硬膜材料的要求,并在实际应用中取得预期效果。论文主要包括如下研究内容: (1)首先采用脉冲偏压电弧离子镀技术通过控制工艺参数在超细晶硬质合金基体上制备了几组CNx薄膜,重点研究了氮流量对CNx薄膜结构与性能的影响。在低氮含量时薄膜硬度与弹性模量随氮含量增加而增加;当氮含量为8.1%时达到峰值,此时硬度为32.1 GPa,弹性模量为411.8 GPa;当氮含量继续增加时硬度与弹性模量开始下降,并且下降迅速。 (2)在CNx薄膜中添加过渡金属Cr,重点研究了氮流量对C-N-Cr薄膜结构与性能的影响。随着氮流量增加,薄膜中氮含量先是线性增加然后趋于平缓,Cr含量先是基本保持不变然后线性减少。其组织结构随成分而不同,当氮流量不超过20 Sccm时,薄膜中出现CrN晶体峰,薄膜类金刚石特征不明显;当氮流量超过20 Sccm时薄膜类金刚石特征明显。氮流量对C-N-Cr薄膜硬度与弹性模量有明显影响,在氮流量不超过20 Sccm时薄膜保持较高的硬度(30 GPa)与弹性模量(500 GPa);当氮流量超过20 Sccm时薄膜硬度与弹性模量急剧下降,在氮流量为100 Sccm时硬度与弹性模量仅为13.6 GPa与190.8 GPa。 (3)在CNx薄膜基础上添加过渡金属元素Zr,首先通过改变氮流量的方法在超细晶硬质合金上制备了不同成分的C-N-Zr薄膜,薄膜表面平整、致密、大颗粒较少。薄膜的成分以C为主且均占60%以上;随着氮流量增加,薄膜中氮含量增加,同时Zr含量相应减少。Raman光谱显示C-N-Zr薄膜以DLC为基,而XRD结果显示薄膜中还存在有明显的ZrN晶体相。随着氮流量的增加薄膜硬度与弹性模量迅速下降,这主要是由于薄膜中sp2键含量随着氮流量增加而增加,以及ZrN晶体相含量减少造成。然后通过同步调整Zr靶弧流与氮流量制备了四组C-N-Zr复合薄膜,其组织结构随成分而不同。随Zr与N含量增加薄膜硬度先增加后下降,在N含量为19.2%,Zr含量为27.8%时薄膜具有最高硬度值,为43.6 GPa,达到了超硬薄膜的硬度值。Zr含量与N含量的改变会改变薄膜的相结构,以及非晶基体相与ZrN晶体相的相对含量,从而对薄膜性能产生较大影响。 (4)在CNx薄膜基础上添加过渡族金属元素V,制备了一系列C-N-V复合薄膜。Raman光谱、GIXRD与HRTEM结果表明本实验所制备的C-N-V薄膜为在DLC非晶基体上镶嵌有VN纳米晶的复合薄膜,其组织结构随成分而不同。随V与N含量增加薄膜硬度先增加后下降,在N含量为20.4%,V含量为21.8%时薄膜硬度与弹性模量具有最大值,分别为36.8 GPa与569.7 GPa,高于相同条件下制备的DLC薄膜的硬度与弹性模量。V与N含量的改变会改变薄膜的相结构,以及DLC非晶基体相与VN晶体相的相对含量,此外还在一些样品中观察到较强的金刚石键特征,具有诱发纳米金刚石相的趋势。 (5)镀有C-N-Me薄膜的超细晶硬质合金基材摩擦系数明显降低,具有良好的减磨性能,将本论文所研究的薄膜体系进行了应用研究。对于硬质合金制作的铜管剥皮模具,当使用未涂层模具剥皮时,管材表面经常会有明显划痕,没有光洁度,甚至经常出现明显的“竹节痕”,而用CNx涂层模具剥出来的管材表面均匀光亮,显著提高了产品的表面质量,且镀膜模具使用寿命提高3倍。对未涂层与涂层后的超细晶硬质合金挤压成型模具进行了冲压试验,结果表明经C-N-Zr涂层后的超细晶硬质合金模具比现有模具使用寿命提高200%以上。对工业生产用微钻进行了C-N-Zr涂层处理并进行了加工试验,实验结果显示经涂层处理后的超细晶硬质合金微钻钻孔数为5005个,而未涂层的微钻钻孔数仅为1083个。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.2

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