收藏本站
《上海交通大学》 2007年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

金刚石涂层工具制备及其应用研究

马玉平  
【摘要】: CVD金刚石薄膜因具有高硬度、高热导系数、低摩擦系数、低热膨胀系数以及良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能而成为理想的工具材料,适用于高硅铝合金、金属基复合材料、工程陶瓷、纤维增强复合塑料等难加工材料切削加工,尤其可以在刀具基体上直接沉积制造复杂形状金刚石涂层的刀具。同时,金刚石薄膜作为理想的工具和耐磨材料,还应用于内表面要求耐磨和低粗糙度的场合,如拉丝模、紧压模、焊接套、拉拔套等。然而,对于硬质合金金刚石涂层来说,制约其产业化的主要因素是涂层的附着强度低、表面光洁度差、加工精度难以保证。针对这些亟待解决的问题,本文对金刚石薄膜的制备和相关应用的一些关键技术完成了以下有创意的应用基础性研究工作: 1.研究了金刚石薄膜沉积的非平衡热力学耦合模型,得到了非平衡热力学方程。在此基础上,研究了沉积参数对金刚石薄膜质量的影响。提出了光滑WC-Co(YG6)硬质合金衬底表面预处理的新方法为甲醇预处理法。以氢气、氩气和丙酮为原料,采用热丝CVD法,直接在硬质合金衬底表面沉积出了高质量纳米金刚石薄膜。Ar的浓度对金刚石薄膜具有重要的影响,随着Ar浓度的增加,金刚石颗粒逐渐细化,当Ar的浓度达到90%时,表面光滑,金刚石涂层颗粒大小在50nm左右,表面粗糙度可在Ra100nm以下。深入研究了沉积工艺参数对常规金刚石薄膜和纳米金刚石薄膜的质量和性能的影响,得到了常规金刚石薄膜和纳米金刚石薄膜的优化沉积工艺参数。对常规金刚石薄膜与纳米金刚石薄膜的摩擦磨损性能进行了对比试验研究。 2.开展了WC-Co(YG6)硬质合金衬底表面无损伤的预处理新方法试验研究,成功解决了常规金刚石涂层刀具表面粗糙的技术难点。该方法能够避免衬底表面光洁度的损伤,同时渗硼预处理在衬底表面形成了一层有效的渗硼挡Co层。渗硼层能够有效的阻挡沉积过程中衬底内部Co的渗出,稀土的添加可以有效提高渗硼效果,增加渗硼层的深度。并通过切削实验对比,涂层后刀片的切削性能优越,磨损小,寿命显著延长,工件加工表面质量高。研究了热丝与衬底之间的距离对金刚石薄膜质量的影响,采用优化的沉积工艺参数制备了高附着强度的常规金刚石薄膜刀具,并利用其进行了加工切削试验,刀具寿命延长了10倍以上。 3.在酸碱两步法预处理的基础上,提出了既适合简单形状硬质合金衬底又适合复杂形状硬质合金衬底表面金刚石涂层制备的预处理方法,即甲醇+碱两步法,该方法有效地抑制了衬底表面粘结相Co的负面影响,解决了复杂形状硬质合金衬底酸洗研磨和金刚石涂层附着力低的难题。在此基础上针对整体式回转硬质合金刀具金刚石涂层时的刀具基体结构特点和涂层要求,提出了整体式回转体刀具高质量金刚石涂层的新方法,解决了整体式回转刀具金刚石涂层均匀性差的技术难点。以整体式WC-Co(YG6)硬质合金钻头和铣刀为衬底材料,采用直立螺旋形热丝CVD法,将回转体刀具竖直放置于轴心位置,并使其匀速旋转,克服了复杂刀具形状对沉积的影响,制备得到均匀性好、附着力强的常规和低粗糙度超细晶粒金刚石复合涂层钻头和铣刀。通过SiC颗粒增强复合材料的切削加工研究了涂层刀具的切削性能,研究了金刚石涂层刀具的磨损机理。实际切削试验表明,常规涂层钻头/铣刀和超细颗粒金刚石复合涂层钻头/铣刀寿命比未涂层硬质合金钻头/铣刀寿命分别提高了5和10倍。针对微小回转体刀具不耐高温的特点,利用改进的热丝CVD装置沉积得到了类金刚石微小整体式硬质合金刀具,进行了切削钛合金对比试验研究,研究了刀具磨损及加工表面质量,显示出了类金刚石涂层刀具的优越性。 4.针对不同用途的拉丝模,采用有限元方法对拉丝模内孔的孔型进行了优化设计,采用穿孔直拉热丝CVD法在其内孔表面成功沉积了低粗糙度高附着强度的纳米金刚石复合涂层。利用有限元方法分析了拉丝模内孔表面的应力分布以及最大应力点,通过改变拉丝模内孔的角度以及定径带的长度获得最佳了的应力分布,达到提高拉丝模寿命的目的,使得孔型优化后更加适用于金刚石涂层。以优化孔型后的WC-Co(YG6)硬质合金拉丝模为衬底,通过醇碱两步法预处理后在其内孔表面沉积得到纳米金刚石复合涂层拉丝模具,研究了拉丝模内孔表面的纳米金刚石复合涂层的性能与特征,并在拉丝生产线上进行了实际拉丝试验研究。实际应用表明纳米金刚石复合涂层拉丝模工作寿命比传统硬质合金模具提高10倍,有效降低了模具消耗量,大幅度提高了劳动生产率和经济效益,而且能从根本上保证线径稳定性和改进拉丝质量和光洁度,有效节约原材料。 5.提出了金刚石细长管制备新方法和新工艺及其粘结转移新构想,大大拓宽了金刚石薄膜在内表面的应用范围。通过沉积装置的改进在微小圆柱形钨丝衬底上成功地沉积出了高质量厚度均匀的金刚石薄膜。对有效腐蚀去除钨丝衬底的腐蚀溶液进行了配比选择,并且利用其将钨丝衬底进行腐蚀,得到了无应力的纯正的自支撑的金刚石管。对腐蚀去除钨丝衬底之前的金刚石薄膜的质量和成分进行了分析对比。初步探讨了能够适合同时粘结金刚石薄膜与普通钢材或铝材的改性环氧树脂粘结剂以及其粘结机理,具有重要的参考依据。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB43

免费申请
【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 周军林;新型微晶玻璃结合剂及其金刚石砂轮制品的研制[D];中南大学;2012年
2 马丁;硬质合金与钢MIG焊组织及性能研究[D];上海工程技术大学;2014年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张永爱,刘浩,袁坚;Li_2O-ZnO-SiO_2系微晶玻璃结构和性能的研究[J];玻璃;2004年03期
2 张而耕;孔令超;;焊接刀具PVD涂层值得关注的几个问题[J];表面技术;2010年03期
3 李晨辉,吕海波,刘雄飞;镀钛金刚石与结合剂间的结合状态[J];稀有金属材料与工程;1999年06期
4 赵海锋,朱丽慧,黄清伟;放电等离子技术快速烧结纳米WC-10%Co-0.8%VC硬质合金[J];稀有金属材料与工程;2005年01期
5 桂阳海;牛连杰;韩勤会;张林森;崔瑞立;冯辉;;超硬磨料表面处理研究进展[J];电镀与涂饰;2010年07期
6 杜伟;聂洪波;吴冲浒;;烧结工艺对低Co超细晶硬质合金性能的影响[J];粉末冶金材料科学与工程;2010年06期
7 侯克忠,杨慧敏,白佳声,吴菊清;超细晶WC-Co硬质合金的发展及其应用[J];粉末冶金工业;2005年05期
8 贾佐诚;以镍代钴碳化钨基硬质合金的发展[J];粉末冶金工业;1999年04期
9 游兴河;WC在WC/钢复合材料中的溶解行为[J];复合材料学报;1994年01期
10 李菊丽,李长诗,郭健明;金属结合剂金刚石砂轮的研究进展[J];工具技术;2003年09期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张小福;微晶玻璃结合剂的研制及其金刚石界面结合机理研究[D];中南大学;2007年
2 苏宏华;新型金属结合剂金刚石工具技术的基础研究[D];南京航空航天大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 汤刚;低熔点磷酸盐封接玻璃的研制[D];中南大学;2011年
2 张向红;低熔高强陶瓷结合剂超硬磨具的研究[D];燕山大学;2004年
3 张红霞;磨削金刚石复合片用陶瓷金刚石砂轮结合剂的制备与性能研究[D];郑州大学;2003年
4 张书森;金刚石磨具低温结合剂的研究[D];郑州大学;2004年
5 杜勇;SrO-Al_2O_3-SiO_2系统微晶玻璃的结构与性能研究[D];武汉理工大学;2006年
6 项东;金刚石表面化学镀覆技术的应用研究[D];山东大学;2006年
7 郑红飞;超硬材料磨具用耐高温树脂结合剂的研究[D];天津大学;2006年
8 商家铭;新型多孔金属结合剂金刚石砂轮的研制[D];南京航空航天大学;2007年
9 吴剑锋;低温烧结BaO·Al_2O_3·SiO_2系微晶玻璃的析晶特性及应用研究[D];国防科学技术大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 严侯方;;微波等离子体沉积金刚石[J];热处理技术与装备;1991年05期
2 文启培;用金刚石涂层刀具加工汽车和航空航天零件[J];机械制造;1995年12期
3 Manfred Weigand;;金刚石涂层延长刀具使用寿命[J];现代制造;2008年41期
4 刘沙,易丹青,余志明,卢斌,王斌,李泳侠,邹丹;金刚石涂层硬质合金的研究动态(Ⅱ)[J];稀有金属与硬质合金;2000年03期
5 谢诚;金刚石涂层刀片通过试验[J];工具技术;1994年02期
6 拾贝;Multi-Arc公司组建金刚石涂层分部[J];工具技术;1995年11期
7 ;超微细金刚石涂层硬质合金立铣刀[J];工具技术;2001年06期
8 苟立,潘利,朱纪磊,冉均国;梯度硬质合金上金刚石涂层的附着性能评价[J];四川大学学报(工程科学版);2005年03期
9 杨世平;人造金刚石涂层[J];机械工程材料;1982年03期
10 杨向明;适应于各种基体的快速金刚石涂层[J];铁道机车车辆工人;1996年07期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 唐达培;高庆;李映辉;;过渡层特性对金刚石涂层残余应力影响的有限元模拟[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(10)[C];2007年
2 邱万奇;曾艳祥;贺礼贤;刘仲武;曾德长;钟喜春;余红雅;;铜基镶嵌结构界面金刚石涂层及其膜/基结合力的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第5分册)[C];2010年
3 刘卫东;薛耀国;朱长纯;;硅尖阵列电泳法淀积金刚石微粉及其场发射特性研究[A];中国电子学会真空电子学分会第十一届学术年会论文集[C];1997年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 ;美国开发出生产人造金刚石涂层新技术[N];中国高新技术产业导报;2002年
2 上海交通大学微电子所教授 张志明;给刀具模具穿上钻石外衣[N];科技日报;2001年
3 李有观;碳化钨涂覆金刚石的新方法[N];中国有色金属报;2002年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王鸿翔;红外窗口金刚石透波涂层沉积设备研制与涂层性能研究[D];南京航空航天大学;2010年
2 杨仕娥;硬质合金刀具基体上金刚石涂层的制备及其附着性能的研究[D];郑州大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵云;硬质合金基体上金刚石涂层沉积条件对其结合性能的影响[D];南京航空航天大学;2011年
2 林欢庆;整体硬质合金CVD金刚石涂层立铣刀的应用基础研究[D];南京航空航天大学;2010年
3 翟春雪;钛基钠米金刚石涂层场发射阴极工艺研究[D];西北大学;2003年
4 彭广盼;CVD金刚石涂层钻头加工钼圆孔技术的研究[D];江南大学;2013年
5 边留进;CVD金刚石涂层异型拉拔模具的参数优化仿真与制备应用[D];上海交通大学;2013年
6 黄自强;制备CVD金刚石涂层硬质合金刀具中间层的研究[D];大连理工大学;2012年
7 王春杰;镍基金刚石复合涂层的组织与性能研究[D];湖北工业大学;2013年
8 杨国栋;陶瓷基CVD金刚石薄膜的制备、摩擦试验及其应用研究[D];上海交通大学;2010年
9 王玲;W18Cr4V高速钢基体金刚石薄膜的研究[D];中南大学;2011年
10 马磊;热丝化学气相沉积金刚石膜的制备及其摩擦学性能研究[D];中国地质大学(北京);2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026