直流弧光放电等离子体CVD金刚石薄膜硬质合金刀具制备工艺研究

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采用自主研制的直流弧光放电等离子体化学气相沉积设备,基于YG6硬质合金基体,分别进行了不同气体、物理工艺参数条件下金刚石薄膜制备工艺优化实验,并采用SEM、洛氏硬度计分别探讨了甲烷浓度、氩气流量、反应压力以及基体冷却水流量等工艺参数对金刚石薄膜表面形貌、晶体形态以及膜基性能的影响;基于精磨YG6硬质合金基体,分别比较研究了交、直流电化学两步腐蚀工艺对基体以及金刚石薄膜沉积的影响,并采用原子吸收光谱仪、表面轮廓仪、SEM等对基体以及金刚石薄膜涂层性能进行了分析,取得了以下认识和成果:(1)随着[CH4]/[H2]的增加,直流弧光放电等离子CVD金刚石薄膜的表面形貌呈现从主显(111)晶面→(111)与(100)晶面混杂→主显(100)晶面→菜花状顺序转变的趋势;薄膜表面粗糙度与孔隙呈现近似线性减小趋势;(2)直流弧光放电等离子体CVD金刚石晶体较常见的形态以立方八面体为主,八面体次之,而立方体的金刚石晶体出现的几率较小;随着[CH4]/[H2]的增加,金刚石晶粒生长速度呈阶梯状幅度增加,晶粒尺寸逐渐从微米级演变为纳米级;(3)随着[Ar]流量的增加,可以使气相反应过程中的原子氢与碳氢基团粒子浓度增加,而CVD金刚石薄膜的表面形貌的演化规律类似于甲烷浓度;(4)基体冷却水流量及反应压力对CVD金刚石薄膜的形核、生长影响较大,适合直流弧光放电等离子体CVD金刚石薄膜沉积的最佳基体冷却水流量为80ml/s,反应压力为30kpa;(5)直、交电化学腐蚀都可以有效的去除YG6硬质合金基体表面因开刃精磨而形成的结构复杂的WC“硬皮”。但是,交流电化学对精磨基体的腐蚀效率较低,腐蚀后基体表面性能结构较差,金刚石薄膜不易在其上形核生长。而直流电化学两步法腐蚀可以有效去除基体中的Co含量并增加基体的表面粗糙度,使王水腐蚀溶液中Co比表面浓度增加了9.37(μg/ml*cm*cm),基体表面Ra从未经处理前的0.12增加到0.56μm,Rz从0.79增到4.22μm,并获得了较高形核密度和膜基性能的精磨YG6金刚石涂层刀具。(6)根据以上研究结果,确定了直流弧光放电等离子体CVD法在YG6硬质合金基体上制备的金刚石薄膜的最佳工艺参数,即:气体工艺参数为[CH4]/[H2]=0.9%,[Ar]=600ml/min;物理工艺参数为基底冷却水流量为80ml/s,反应压力为30kpa。同时,所确定的精磨YG6硬质合金基体理想的电化学两步腐蚀工艺为:直流1A腐蚀5min后王水再腐蚀240s。
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