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钢基CVD金刚石薄膜的制备、微结构及其机械性能的研究

魏秋平  
【摘要】:金刚石具有最高的硬度、极高的耐磨和抗腐蚀性、极低的摩擦系数,这些特性使CVD金刚石膜成为加工工具和耐磨零件的最佳防护涂层材料之一。由于这些工件的失效通常始于表层,金刚石膜涂层钢基工具能有效提高工件的使用寿命和加工性能,可实现高效、高速、高精度加工。尽管市场潜力巨大,但是金刚石膜涂层钢基工件的实际应用却一直受到某些因素的制约,主要是由于Fe具有高溶碳性、催生石墨相和高热膨胀系数等特点,使得在钢基工件表面难以直接获得高质量、高结合强度的CVD金刚石膜。 解决上述问题的关键在于找到某种中间过渡层既能保证金刚石膜的高形核率和高质量,又同时可以保证金刚石膜/过渡层和过渡层/基体两个界面具有良好的结合强度。基于这一原则,本文首先以化学热处理表面改性法作为切入点,发现高速工具钢经渗铬热处理后能在基体表面形成一层富Cr层,该处理能显著提高金刚石膜的形核密度,在优化工艺条件下能获得平滑致密、质量良好的金刚石薄膜,但是,低载荷压痕测试表明膜-基结合强度仍然不够理想。 此后,本文将研究重点转向通过其他方式寻找合适的中间过渡层隔离Fe元素。首先在W、Ti、Mo等常用于过渡层的金属上沉积了金刚石薄膜,比较了所得样品的结构、组成和应力状态。拉曼光谱分析显示,w基样品的残余应力最低,而Ti基样品最高。W基体在CVD过程中形成的碳化物要少于Mo、Ti基体。溅射薄膜会显著增加生成碳化物的量,经纳米金刚石丙酮悬浊液超声震荡处理后,溅射金属膜能有效提高CVD金刚石的形核密度,通过综合考虑各方面因素,拟采用钨及其碳化物作为钢基中间过渡层。 采用反应磁控溅射技术在高速工具钢基体上制备了W-C梯度过渡层,并研究了该过渡层对CVD金刚石薄膜的影响,最终发现反应溅射W-C梯度过渡层能有效提高CVD金刚石薄膜的形核率,但是,由于高温CVD过程中W-C过渡层的物相转变和钢基很高的热膨胀系数,该过渡层体系无法彻底解决附着性能差的问题。 为了有效改善中间层与基体和金刚石膜的匹配问题,使中间层在机械、热膨胀、耐腐蚀性能方面起到良好的过渡作用,在W-C体系中引入少量金属粘结相Co,即,选用WC-Co作为中间过渡层,以便改善过渡层与基体的结合强度和抗热震性。在这部分研究中,为了熟悉CVD金刚石在WC-Co上的形核生长情况,先以不同Co含量的烧结WC-Co硬质合金作为基体,研究了Dia./WC-Co体系。 最后,采用热喷涂技术在高碳钢基体上制备了WC-Co中间过渡层,并根据前期的摸索选用合适的WC-Co二步法预处理工艺,在钢基上获得了高质量、高附着性能的金刚石膜。在附着性能方面取得较大突破之后,为了提高Diamond/WC-Co/Steel体系在腐蚀环境下的抗磨损寿命,采用了沉积参数呈周期性变化的时间调制CVD制备了金刚石膜,有效地提升了Diamond/WC-Co/Steel体系经过3.5mol/L NaCl溶液电化学腐蚀后的抗摩擦磨损性能。 此外,本文还讨论了各种五重对称金刚石晶粒的制备方法和形成机制,发现星形和棒状五重对称金刚石晶粒均可以通过C15H20笼状分子控制(100)和(111)的生长速率来形成;而二十面体金刚石晶粒则可以通过正十二面体烷C20H20笼状分子沿20个(111)生长形成。研究表明,形成这三种五重对称结构的关键均可能系于环戊烷C5H10的形成。 通过本文的研究,在钢基上CVD金刚石薄膜的机械和耐腐蚀性能方面取得了明显的突破,将有利于推动这种具有优良性能的耐磨涂层体系的工业化应用。


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