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。
关键词：金刚石涂层工具，偏压增强热丝 CVD 法，纳米金刚石复合涂层，预处理，
表面粗糙度，加工性能
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