国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

孕鑲金剛石硬質(zhì)合金基底上沉積金剛石涂層工藝研究

2018-03-12 05:13:14簡小剛
金剛石與磨料磨具工程 2018年1期
關(guān)鍵詞:硬質(zhì)合金金剛石鉆頭

簡小剛, 黃 卓

(同濟大學(xué), 上海 201804)

金剛石涂層兼具金剛石和薄膜材料的特性,應(yīng)用在硬質(zhì)合金工具上時,既能表現(xiàn)出金剛石的高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性,又能表現(xiàn)出硬質(zhì)合金基體良好的抗沖擊性和強韌性,顯著提高其綜合性能和使用壽命,因而具有極其廣闊的應(yīng)用前景。而阻礙其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一,在于涂層和基底的熱膨脹系數(shù)不同,膜基界面結(jié)合強度較差,涂層易脫落。

粉末冶金孕鑲金剛石鉆頭的胎體里,均勻包鑲有金剛石顆粒,其在成分上與金剛石涂層相同,在化學(xué)氣相沉積金剛石的過程中可以實現(xiàn)同質(zhì)外延生長。另一方面,金剛石顆粒與鉆頭胎體之間的包嵌力,大于硬質(zhì)合金基底和金剛石涂層之間的結(jié)合力。因此,孕鑲金剛石基底同金剛石涂層的膜基界面結(jié)合強度,在理論上有很大的提升空間。

基于此,我們擬在粉末冶金孕鑲金剛石鉆頭基底上制備金剛石涂層,既解決基底和涂層之間膜基界面結(jié)合力差的問題,又提高鉆頭的耐磨性。但是,在現(xiàn)有的研究成果中,鮮有關(guān)于在粉末冶金孕鑲金剛石基底上沉積金剛石涂層的討論。我們借鑒在硬質(zhì)合金基底進行金剛石涂層的沉積技術(shù),在粉末冶金孕鑲金剛石基底上進行CVD金剛石涂層沉積實驗,分析比較其最終的力學(xué)性能,以驗證其可行性。

1 基底預(yù)處理

以市售的YG6硬質(zhì)合金棒以及粉末冶金孕鑲金剛石片為沉積基底,其直徑為12 mm,厚度為2 mm。為準(zhǔn)確標(biāo)定硬質(zhì)合金棒以及孕鑲金剛石基底的材料成分種類,我們對未沉積涂層的基底表面做EDS測試,在圓形試樣表面按照圓周方向均勻取5個測試點,分析其成分組成,其平均結(jié)果如表1所示。

表1 孕鑲金剛石基底與硬質(zhì)合金基底的成分對比

由表1中可以看出:相比于硬質(zhì)合金,孕鑲金剛石中含有一些其他的成分,如Cu、Si等,在化學(xué)氣相沉積過程中,這些元素有利于金剛石涂層的生長。

使用掃描電鏡觀察孕鑲金剛石基底的微觀形貌(圖1),以備后續(xù)對比分析。

圖1 孕鑲金剛石基底的微觀形貌

對2種基底進行預(yù)處理,依次包括機械拋光、酸處理、純水超聲震蕩處理、乙醇超聲處理,然后風(fēng)干、備用[4-9]。機械拋光處理能夠降低金剛石襯底表面的粗糙度,減少位錯,提供良好的金剛石晶面;酸處理能夠去除襯底表面的雜質(zhì),為金剛石生長提供更好的環(huán)境,使外延生長更加平整[10-12]。預(yù)處理的流程如圖2所示,處理后2種基底的表面微觀形貌如圖3所示。

圖2 酸蝕預(yù)處理流程圖

(a)預(yù)處理后的硬質(zhì)合金表面形貌

(b)預(yù)處理后的孕鑲金剛石表面形貌

預(yù)處理酸洗方法只能暫時消除表層的Co,而沉積過程中孕鑲金剛石片溫度升高后,內(nèi)層的Co會沿濃度梯度再次擴散到表層與金剛石發(fā)生反應(yīng)。為消除Co給金剛石沉積過程帶來的不利影響,沉積前處理還包括氫等離子體刻蝕,利用氫氣與金屬鈷發(fā)生反應(yīng)生成易揮發(fā)的鈷的氫化物,進一步去除Co的影響。

2 沉積實驗

使用HF650型熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)設(shè)備進行金剛石涂層的沉積,該設(shè)備的真空系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。用預(yù)處理后的基底進行化學(xué)氣相沉積實驗,沉積實驗過程中的工藝參數(shù)[13-14]如下(氣體流量均以標(biāo)準(zhǔn)狀況計算):甲烷流量3 cm3/min、氫氣流量200 cm3/min、基底溫度830 ℃、沉積氣壓12 kPa、沉積時間6 h。

圖4 HFCVD裝置真空系統(tǒng)示意圖

3 實驗結(jié)果

在2種基底上,采用HFCVD方法得到的涂層表面形貌如圖5所示。由圖5可以看出:相同實驗條件下,相比于硬質(zhì)合金基底上的涂層,孕鑲金剛石基底上的形核率更高、表面更平整、晶粒大小更均勻。

(a)硬質(zhì)合金基底上沉積金剛石的形貌

(b)孕鑲金剛石基底上沉積金剛石的形貌

為測試2種基底上沉積出的金剛石涂層的質(zhì)量以及涂層內(nèi)應(yīng)力的大小,使用拉曼光譜儀進行檢測,其結(jié)果分別如圖6、圖7所示。內(nèi)應(yīng)力計算公式為:

σ=P(υ-υ0)

(1)

式中:σ為內(nèi)應(yīng)力大??;P為常數(shù),取-0.567 GPa;υ0=1332 cm-1,υ為拉曼光譜中的測量峰位置。

圖6 硬質(zhì)合金基底上金剛石涂層的拉曼光譜

從圖6中可以看出:硬質(zhì)合金基底上沉積的涂層,其在1 334.07 cm-1處的金剛石峰比天然金剛石的特征峰(1 332 cm-1)向右偏移,說明涂層中存在壓應(yīng)力。而根據(jù)公式(1)計算得到應(yīng)力大小為1.17 GPa;另一方面,G峰(1 580 cm-1)的存在也說明了金剛石涂層不純,含有結(jié)晶不良的石墨和非晶碳成分。

圖7 孕鑲金剛石基底上金剛石涂層的拉曼光譜

從圖7中可以看出:孕鑲金剛石基底上沉積的涂層,其金剛石特征峰在1 333.333 cm-1處,比天然金剛石的特征峰有輕微偏移,通過公式(1),計算得到應(yīng)力大小為0.76 GPa;另一方面,其金剛石特征峰比較尖銳,且沒有明顯的G峰,說明涂層中金剛石純度較高、涂層質(zhì)量較好。

在2種涂層表面分別施加1470 N的壓力,然后用SEM觀察涂層表面的微觀形貌,其結(jié)果如圖8所示。

(a)硬質(zhì)合金基底上的涂層壓痕(b)孕鑲金剛石基底上的涂層壓痕圖8 金剛石涂層壓痕圖

由圖8可以看出:硬質(zhì)合金基底上的金剛石涂層,其壓坑周圍存在明顯的涂層剝落現(xiàn)象;孕鑲金剛石基底上的金剛石涂層,其壓坑周圍沒有出現(xiàn)涂層剝落現(xiàn)象,金剛石顆粒完整。這說明孕鑲金剛石基底與金剛石涂層的結(jié)合力優(yōu)于硬質(zhì)合金基底與金剛石涂層的結(jié)合力。

4 結(jié)論

在相同沉積條件下,分別在硬質(zhì)合金基底和孕鑲金剛石基底的表面上沉積金剛石涂層,并進行掃描觀測和壓痕實驗。發(fā)現(xiàn):

在相同工藝條件下,在孕鑲金剛石基底上可以沉積出質(zhì)量更高的金剛石涂層,其金剛石形核率高、晶形大小均勻、涂層表面平整,且膜基界面的結(jié)合力更高。

此發(fā)現(xiàn)將有助于提高金剛石涂層的應(yīng)用范圍,并極大提高鉆頭的壽命,降低使用成本。

[1] 劉寶昌, 孫友宏, 佟金. CVD金剛石條強化孕鑲金剛石鉆頭的試驗研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2009(6): 24-27.

LIU Baochang, SUN Youhong, TONG Jin. Experimental study of diamond impregnated drilling bit enhanced with CVD diamond pins [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2009(6): 24-27.

[2] WANG X, ZHAO T, SUN F, et al. Comparisons of HFCVD diamond nucleation and growth using different carbon sources [J]. Diamond and Related Materials, 2015, 54: 26-33.

[3] 鄧福銘, 陳立, 劉暢. 不同沉積功率對 CVD 金剛石涂層性能的影響 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2015, 35(1): 1-5.

DENG Fuming, CHEN Li, LIU Chang. Effect of different deposition power on the properties of CVD diamond coating [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2015, 35(1): 1-5.

[4] ZHANG Z M, HE X C, SHEN H S, et al. Pre-treatment for diamond coatings on free-shape WC-Co tools [J]. Diamond and Related Materials, 2000, 9:1749-1752.

[5] LAI W C, WU Y S, CHANG C H, et al. Enhancing the adhesion of diamond films on cobalt-cemented tungsten carbide substrate using tungsten particles via MPCVD system [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(12): 4433-4438.

[6] 簡小剛, 張允華. 溫度對金剛石涂層膜基界面力學(xué)性能的影響 [J]. 物理學(xué)報, 2015, 4: 269-273.

JIAN Xiaogang, ZHANG Yunhua. The effect of temperature on the mechanical properties of the diamond coating at the film-substrate interface [J]. Acta Physica Sinica, 2015, 4: 269-273.

[7] 簡小剛, 朱正宇, 雷強. 熱絲CVD金剛石涂層膜基界面結(jié)合強度研究新進展 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2016, 36(3): 11-16.

JIAN Xiaogang, ZHU Zhengyu, LEI Qiang. New progress on the improvement of adhesive strength of HFCVD diamond coating [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2016, 36(3): 11-16.

[8] SUN F H, ZHANG Z M, CHEN M, et al. Improvement of adhesive strength and surface roughness of diamond films on Co-cemented tungsten carbide tools [J]. Diamond and Related Materials, 2003, 12: 711-718.

[9] POLINI R, D’ANTONIO P, TRAVERSA E. Diamond nucleation from the gas phase onto cold-worked Co-cemented tungsten carbide [J]. Diamond and Related Materials, 2003, 12(3): 340-345.

[10] 馬玉平, 陳明, 孫方宏. CVD金剛石涂層硬質(zhì)合金襯底預(yù)處理新方法研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2009(1): 1-5.

MA Yuping, CHEN Ming, SUN Fanghong. A new pretreatment method for WC-Co substrate for CVD deposition [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2009(1): 1-5.

[11] SOMMER M, HAUBNER R, LUX B. Diamond deposition on copper treated hard metal substrates [J]. Diamond and Related Materials, 2000, 9: 351-357.

[12] 鄧福銘, 趙曉凱, 吳學(xué)林, 等. 碳源濃度對CVD金剛石涂層質(zhì)量的影響 [J]. 硬質(zhì)合金, 2013, 30(2): 59-65.

DENG Fuming, ZHAO Xiaokai, WU Xuelin, et al. Effect of carbon source concentration on quality of CVD diamond coating [J]. Cemented Carbide, 2013, 30(2): 59-65.

[13] 汪建華, 蘇帆, 翁俊, 等. 甲烷濃度對金剛石膜沉積質(zhì)量的影響 [J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報, 2014, 36(5): 29-33.

WANG Jianhua, SU Fan, WENG Jun, et al. Effect of methane concentration on quality of diamond film deposition [J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2014, 36(5): 29-33.

[14] SALGUEIREDO E, AMARAL M, NETO M A, et al. HFCVD diamond deposition parameters optimized by a Taguchi matrix [J]. Vacuum, 2011, 85: 701-704.

[15] 趙云. 硬質(zhì)合金基體上金剛石涂層沉積條件對其結(jié)合性能的影響 [D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2011.

ZHAO Yun. Effect of deposition condition on the adhesion performance of CVD diamond coating on carbide substrate [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011.

[16] 鄧福銘, 陳立, 劉暢. 不同沉積功率對 CVD 金剛石涂層性能的影響 [J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2015, 35(1): 1-5.

DENG Fuming, CHEN Li, LIU Chang. Effect of different deposition power on the properties of CVD diamond coating [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2015, 35(1): 1-5.

猜你喜歡
硬質(zhì)合金金剛石鉆頭
球磨時間對再生料硬質(zhì)合金性能的影響
山東冶金(2022年4期)2022-09-14 08:59:00
簡易金剛石串珠鋸的設(shè)計
石材(2020年10期)2021-01-08 09:19:54
鐵代鈷鎳高粘結(jié)相硬質(zhì)合金的組織和性能
四川冶金(2019年4期)2019-11-18 09:30:54
可切換式反循環(huán)潛孔錘鉆頭設(shè)計及優(yōu)化
稀土元素對礦用低鈷超粗硬質(zhì)合金性能的影響
PDC鉆頭側(cè)鉆現(xiàn)場應(yīng)用
超粗晶粒硬質(zhì)合金截齒性能表征參數(shù)的探討
一種特殊的金剛石合成結(jié)構(gòu)裝置
超薄金剛石帶鋸鍍層均勻性研究
鉆頭磨損后怎樣更換
石油知識(2016年2期)2016-02-28 16:20:21
石门县| 仪陇县| 方山县| 崇义县| 长治市| 宾川县| 南漳县| 赤城县| 永川市| 巩留县| 余干县| 孟连| 冷水江市| 朔州市| 遂昌县| 永兴县| 中山市| 绵竹市| 日土县| 和田县| 康平县| 阜平县| 墨脱县| 四会市| 敦化市| 靖宇县| 天镇县| 阳西县| 高平市| 慈利县| 长阳| 抚远县| 普宁市| 思茅市| 阿荣旗| 余干县| 贞丰县| 呼图壁县| 秦皇岛市| 霍林郭勒市| 崇义县|