（机械制造及其自动化专业论文）整体硬质合金cvd金刚石涂层立铣刀的应用基础研究.pdf

、 b y l i n h u a n q i n g a d v i s e db y p r o f l uw e n z h u a n g & p r o fz 1 1 s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 01 0 - 在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：挺盘盘 作者签名：叠b 烈：丛 e l 期篮也3 ：$ 1 0 金刚石涂层打下了基础。 2 首次对e a c v d 系统中在整体立铣刀上沉积金刚石涂层的三维流场开展了仿真研究，有 限元仿真结果表明，铣刀竖直安放在衬底上的放置方式其流场条件可以满足在铣刀上沉积金刚 石涂层的需要。研究了进气口的分布对批量制备涂层时系统内部刀具周围流场的影响，对进气 口分布进行优化，得到可供批量制备涂层铣刀的进气口分布。 3 首次开发了硬质合金铣刀基体的超声二步法预处理工艺，研究了超声二步法预处理过程 中刀具蚀除量的变化规律。在硬质合金立铣刀上进行c v d 金刚石涂层沉积实验，分析了不同 碳源浓度以及沉积时间对铣刀不同部位的金刚石涂层表面形貌及成分的影响，成功制备了c v d 金刚石涂层立铣刀。 4 通过干式切削高硅铝合金的切削实验对所制备的c v d 金刚石涂层立铣刀的切削性能进 行了研究，分析了涂层刀具的磨损、破损以及工件的加工表面粗糙度。切削实验表明所制备的 金刚石涂层立铣刀可以满足干式铣削高硅铝合金的需要。 关键词：c v d 金刚石涂层，硬质合金，立铣刀，制备，切削 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 a b s t r a c t c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c v d ) d i a m o n dc o a t i n gc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h et o o l sc u t t i n g p e r f o r m a n c ei nm a c h i n i n gd i f f i c u l t - t o - m a c h i n em a t e r i a l s t h et h e s i sa i m sa tt h ed e p o s i t i o np r o c e s so f c v dd i a m o n dc o a t i n go ns o l i dw c 一6 w tc oe n dm i l la n dt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo fc v dd i a m o n d c o a t e dm i l lf o rm a c h i n i n gh i g h - s i l i c o na l u m i n u ma l l o y t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec o n t r o ls c h e m eo fam i n i a t u r ee a c v ds y s t e mf o rd i a m o n df i l md e p o s i t i o nw a s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i n gr e q u i r e m e n t so fd i a m o n dd e p o s i t i o n o n t h i sb a s i s ，as e to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ed e s i g n e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e ，g a sf l o w , g a s c o m p o s i t i o na n db i a sv o l t a g ea u t o m a t i c a l l y , w h a tl a i das o l i de q u i p m e n tf o u n d a t i o nf o rd i a m o n d d e p o s i t i o no ns o l i dc e m e n t e dc a r b i d ee n dm i l la sw e l la so t h e rs u b s t r a t c s 2 t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sw e r ec r e a t e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di nt h em i n i a t u r ee a c v d s y s t e mf o rd i a m o n dc o a t i n gd e p o s i t i o no nc e m e n t e dc a r b i d ee n dm i l lf o rt h ef i r s tt i m e t h ef m i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ef l o wf i e l dc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to fd i a m o n dd e p o s i t i o n w h e nt h ee n dm i l li sp l a c e do nt h es u b s t r a t ev e r t i c a l l y t h ee f f e c to fi n l e t sd i s t r i b u t i o no ng a sf l o w f i e l du n i f o r m i t yw a sr e s e a r c h e da n da no p t i m i z a t i o nd i s t r i b u t i o no fg a si n l e t sw a so b t a i n e df o rc v d d i a m o n dc o a t e dt o o lb a t c hd e p o s i t i o n 3 t h eu l t r a s o n i c - a i d e d - t w o - s t e pp r e t r e a t m e n tm e t h o df o rs o l i dc e m e n t e dc a r b i d ee n dm i l lw a s d e v e l o p e df o rt h ef i r s tt i m e t h ee f f e c to fp r e t r e a t m e n tp r o c e s so nt h et o o le r o s i o nw a si n v e s t i g a t e d d e p o s i t i o ne x p e r i m e n t s w e r ed o n et or e s e a r c ht h ee f f e c to fc h 4c o n c e n t r a t i o na n dd e p o s i t i o nd u r a t i o n o nt h es u r f a c em o r p h o l o g yo fc v dd i a m o n dc o a t i n go nd i f f e r e n tp o s i t i o n so ft h ee n dm i l l t h ec v d d i a m o n dc o a t e ds o l i dw c 一6 w tc oe n dm i l l sw e r ep r e p a r e ds u c c e s s f u l l y 4 e x p e r i m e n to fd r y - c u t t i n gh i g h - s i l i c o na l u m i n u ma l l o yw a sd o n et ot e s tt h ew e a rp e r f o r m a n c e o ft h ep r e p a r e dc v dd i a m o n dc o a t e de n dm i l lt o o l s t h er o u g h n e s so fw o r k p i e c es u r f a c ea n dt o o l w e a l f o r mw e r es t u d i e di nd e t a i l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e p a r e dc v dd i a m o n dc o a t e de n dm i l l c o u l dm e e tt h en e e d so f d r y - c u t t i n gh i g h s i l i c o na l u m i n u ma l l o y k e y w o r d s ：c v dd i a m o n dc o a t i n g ，s o l i dc e m e n t e dc a r b i d e ，e n dm i l l ，p r e p a r a t i o n ，c u t t i n g i l 第一章绪论。1 1 1 刀具技术与涂层技术的发展1 1 1 1 超硬材料刀具。1 1 1 2 涂层技术与涂层刀具。1 1 2 金刚石涂层技术与金刚石涂层刀具2 1 2 1 金刚石涂层技术的发展。2 1 2 2c v d 金刚石膜技术研究现状3 1 2 3c v d 金刚石膜的制各方法。4 1 2 4 金刚石涂层刀具。5 1 2 5 金刚石涂层铣刀的研究现状。6 1 3 国内外金刚石膜制备设备及其控制系统8 1 4 本文的研究意义和主要工作1 0 第二章控制系统的硬件与软件设计1 2 2 1 总体控制方案的确定1 2 2 1 1 小型化e a c v d 设备的特性分析1 2 2 1 2 控制方案的选择一1 3 2 2 控制系统硬件构成1 4 2 2 1 中央处理机1 4 2 2 2 传感器1 4 2 2 3 下位机1 8 2 2 4 控制卡1 8 2 2 5 电源1 9 2 2 6 控制柜1 9 2 3 控制软件结构设计2 2 2 3 1 温度控制方案2 2 2 3 2 气源控制方案2 3 2 3 3 真空系统控制方案2 3 2 3 4 偏压控制方案2 4 2 3 5 软件总体结构2 4 i i i 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 2 4 人机交互界面 2 4 1 工艺文件编写界面 2 4 2 实时调整界面 2 4 3 数据图形显示2 7 2 5 控制系统使用效果2 8 2 6 本章小结2 9 第三章整体硬质合金铣刀上沉积金刚石涂层的流场仿真3 0 3 1c f d 及其仿真软件介绍3 0 3 2 有限元模型3 1 3 3 流场仿真3 2 3 3 1 刀具安放方式对流场的影响3 2 3 3 2 进气口高度对流场的影响3 4 3 3 3 气体流量流速对流场的影响3 5 3 3 4 批量制备时进气口分布对流场均匀性的影响3 5 3 4 本章小结3 9 第四章整体硬质合金立铣刀上c v d 金刚石涂层的制备4 0 4 1 硬质合金立铣刀的预处理4 0 4 1 1 硬质合金立铣刀表面预处理的作用4 0 4 1 2 超声二步法表面预处理4 l 4 2 金刚石涂层沉积与检测方法4 5 4 2 1 工件的安装4 5 4 2 2 金刚石成核条件4 6 4 2 3 金刚石生长条件4 6 4 2 4 金刚石膜的检测方法4 6 4 3 实验结果与讨论4 7 4 3 1 金刚石涂层铣刀的宏观表现与总体质量4 7 4 3 2 碳源浓度对铣刀表面金刚石膜形貌的影响4 9 4 3 3 沉积时间对铣刀表面金刚石膜形貌的影响5 2 4 3 4r a m a n 光谱分析5 5 4 3 5 小批量制备时涂层的一致性5 5 4 4 本章小结5 6 第五章c v d 金刚石涂层立铣刀切削实验研究5 8 i v ， 5 8 5 8 5 8 5 9 6 1 6 l 6 l 6 6 6 8 6 9 7 0 7 0 7 1 参考文献。7 2 致谢7 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 8 附录一小型化e a c v d 金刚石膜制备设备控制系统电路原理图7 9 v 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 v i 图表清单 图1 1c v d 金刚石涂层铣刀 图1 2s p 3 公司热丝c v d 设备内部的刀具排布 图1 3a s t a x 公司的微波法c v d 金刚石沉积设备 图1 4s p 3 公司的热丝法c v d 金刚石沉积设备 图1 5 采用手动控制的c v d 金刚石沉积设备 图1 6s p 3 公司金刚石膜制备设备的控制系统一 图2 1e a c v d 双偏压系统原理简图 图2 2 控制系统总体框图 图2 3 中央处理机。 图2 4 热电偶测温原理图 图2 5 双色集成式红外测温仪 图2 6 气体流量传感器及其原理1 6 图2 7 真空计1 7 图2 8 气体压力传感器。1 7 图2 9x m t 3 0 0 0 型智能仪表。1 8 图2 1 0 控制卡1 9 图2 1 l 控制柜2 0 图2 1 2 模糊p i d 算法系统框图2 3 图2 1 3 气源控制原理框图2 3 图2 1 4 数字开关信号输出示意图2 4 图2 1 5 真空系统控制框图2 4 图2 1 6 软件结构示意图2 5 图2 1 7 人机界面2 6 图2 1 8 工艺文件编写界面2 6 图2 1 9 实时调整界面2 7 图2 2 0 曲线实时显示界面2 8 图2 2 1 制备的金刚石厚膜2 8 图2 2 2 制备的金刚石涂层刀具2 9 图3 1 炉腔、铣刀的三维建模3 2 i 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 2 两种不同刀具安放方式3 3 图3 3 分层网格划分3 3 图3 4 水平放置的铣刀周围流场。3 4 图3 5 竖直放置的铣刀周围流场3 4 图3 6 不同进气口高度下的铣刀周围流场3 5 图3 7 不同气体流量下的仿真结果。3 5 图3 8 多把铣刀的有限元模型与网格划分。3 6 图3 9 不同的进气口分布3 6 图3 1 0 不同进气口分布对应的仿真结果( 铣刀顶端截面) 3 7 图3 1 1 不同进气口分布对应的流场流速统计( 铣刀顶端截面) 3 8 图3 1 2 流场流速方差对比3 8 图3 1 3 垂直方向流场对比3 9 图4 1g e ni i 超声槽。4 2 图4 2 超声二步法中第一步处理4 2 图4 3 第一步处理时间与刀具重量关系4 3 图4 4 第一步处理后表面形貌对比4 3 图4 5 第二步处理时间与刀具重量关系曲线。4 4 图4 6 第二步处理过程示意图“ 图4 7 超声二步法中的第二步处理。4 5 图4 8 第二步处理后基体表面形貌4 5 图4 9 铣刀在衬底上的安放方式。4 6 图4 1 0 制备的涂层铣刀4 7 图4 1 1 已涂层的铣刀与未涂层的铣刀外观对比4 8 图4 1 2 涂层铣刀刃口部分照片4 8 图4 1 3 未涂层铣刀与涂层铣刀相同刀面的s e m 照片4 8 图4 1 4 选取的三个不同测量位置4 9 图4 1 5 不同甲烷浓度下位置1 的金刚石膜s e m 照片5 0 图4 1 6 不同甲烷浓度下位置2 的金刚石膜s e m 照片5 1 图4 1 7 不同甲烷浓度下位置3 的金刚石膜s e m 照片5 2 图4 1 8 不同沉积时间下位置1 的金刚石膜s e m 照片5 3 图4 1 9 不同沉积时间下位置2 的金刚石膜s e m 照片5 4 图4 2 0 不同沉积时间下位置3 的金刚石膜s e m 照片5 4 i 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 v i i i 图4 2 1 铣刀不同位置上的金刚石涂层r a m a n 光谱5 5 图4 2 2 衬底不同位置上铣刀涂层表面形貌s e m 照片5 6 图4 2 3 衬底不同位置上铣刀涂层的r a m a n 光谱5 6 图5 1 切削成本统计6 0 图5 2 刀面初始状态6 2 图5 3 底刃后刀面在切削不同时间后的磨损6 2 图5 4 侧刃后刀面在切削不同时间后的磨损。6 3 图5 5 底刃前刀面在切削不同时间后的磨损。6 4 图5 6 侧刃后刀面去处积屑后的形貌一6 5 图5 7 刀面磨损与时间关系曲线6 5 图5 8 涂层初期磨损。6 6 图5 9 涂层破损的扩展6 7 图5 1 0 涂层破损的表面形貌s e m 图。6 7 图5 1 1 刀具失效6 8 图5 1 2m a h rp e r t h o m e r t e rm 2 粗糙度测试仪。6 8 图5 1 3 两种铣刀端铣和侧铣加工后的工件表面粗糙度对比6 9 表1 1 主要涂层工艺发展时段及应用领域2 表1 2 刀具材料及涂层的性能对比5 表2 1 控制柜各部件说明2 1 表5 1 不同研究者在金刚石涂层刀具的切削试验中所用切削参数6 l 南京航空航天大学硕+ 学位论文 c b n c f d c v d d a p c v d d c p c v d e a c v d f i f o h f c v d 加f m w p c v d p c b n p c d 注释表 立方氮化硼p i d 计算流体力学p v d 化学气相沉积p w m 直流电话等离子体喷射c v dr a 直流等离子c v ds c c m 电子辅助c v d s e m 先入先出队列， 热丝法c v d u i n 2 进气口与刀具顶端距离， 微波等离子c v d 么口 聚晶立方氮化硼 v b 聚晶金刚石 比例积分微分 物理气相沉积 脉宽调制 轮廓算术平均偏差 标准状况毫升每分钟 扫描电子显微镜 栅极偏压电源控制电压 衬底偏压电源控制电压 栅极偏压电源输出电压 栅极偏压电源输出电压 后刀面平均磨损宽度 i x p 材料等高耐磨、高强度的难 业中被广泛使用，同时也对 统刀具面临着严峻的挑战。 劣，将直接影机械工业及相 现代刀具材料主要向以下两个方向发展【2 】：一是超硬材料刀具的开发：二是涂层技术在刀 具上的应用。 1 1 1 超硬材料刀具 超硬刀具材料包括单晶金刚石以及与天然金刚石的硬度、性能相近的人造金刚石、类金刚 石和立方氮化硼( c b n ) 等。生产上大多采用人造聚晶金刚石( p c d ) 、聚晶立方氮化硼( p c b n ) 以及它们的复合材料。 单晶金刚石包括天然金刚石和人工合成金刚石。由于人工合成大颗粒单晶金刚石的技术复 杂、成本高，目前单晶金刚石刀具绝大多数由天然单晶金刚石制成。但天然金刚石含量稀少、 价格极为昂贵，加上单晶金刚石具有各向异性、抗破裂性能差、抗弯强度低等缺点，所以目前 单晶金刚石刀具的应用范围极为有限。 p c d 金刚石也称金刚石烧结体，是高温和超高压条件下通过金属粘结剂将金刚石微粉聚合 而成的多晶体材料。p c d 硬度较天然金刚石低，但属于各向同性，且具有比天然金刚石更高的 抗弯强度和韧性，但其不足之处在于：硬度、耐磨性及热稳定性低；可加工性能差，很难将刀 头加工成任意形状；造价仍然较为昂贵。 p c b n 的制备方法与p c d 相同，但具有更高的热稳定性和化学惰性，且不与铁族金属发生 化学反应，可加工黑色金属。但与p c d 类似，p c b n 刀具也具有造价高和不能任意成形等缺点。 1 1 2 涂层技术与涂层刀具 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上( 也可在陶瓷、立方氮化硼 等超硬材料刀片上) ，利用气相沉积的方法涂覆一层或多层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物 而获得的，具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 等特性。涂层技术的出现为刀具材料的改进和提高开辟了一条崭新的道路。刀具涂层技术的突 破是“刀具领域的一次革命3 h ，而随着时代的发展，新型的涂层材料和新的涂层工艺方法不断 出现，见表1 1 【4 】。 表1 1 主要涂层工艺发展时段及应用领域 序号时间涂层成分涂层方法主要应用领域 11 9 6 8 年t i c 、t i nc v d 硬质合金刀具、模具涂层 2 1 9 7 3 年t i c n 、币c + 砧2 0 3 c v d 硬质合金刀具、模具涂层 产 31979年tinp v d 高速钢刀具涂层 4 1 9 8 1 年t i c + a 1 2 0 3 + t i n 、a 1 2 0 2 n c v d 硬质合金刀具涂层 51982年ticnm t - c v d硬质合金刀具涂层 硬质合金、高速钢铣刀、钻头类 刀具涂层 71 9 8 6 年d i a m o n d 、c b n p v d 、c v d 硬质合金刀具涂层 硬质合金铣刀类涂层用于钢、 铸铁加工 9 1 9 9 0 年t i n 、t i c n 、t i c p c v d 用于模具、螺纹刀具、铣刀等 1 0 1 9 9 1 年 币a l n + c r cp v d 车、铣削钛合金 1 1 1 9 9 3 年t i n + t i c n ( c v d ) + t i n ( p v d ) c v d + p v d 硬质合金铣削类刀具 1 21 9 9 3 年 c r np v d 用于钛合金、铜合金加工 1 31 9 9 4 年 m o s 2 p v d 用于高速钢复杂刀具涂层 1 41 9 9 5 年t i n - a i n p v d 硬质合金铣刀片涂层 1 5 9 年 厚膜纤维状t i c n m b c v d 硬质合金- 詈喜：至涂层，租、 1 6 1 9 9 6 年 c n xc v d 、p v d 已可用于高速钢刀具涂层 1 72 0 0 0 年t i a i c np v d 硬质合金刀片涂层 1 2 金刚石涂层技术与金刚石涂层刀具 1 2 1 金刚石涂层技术的发展 i 在诸多的涂层材料中，c v d 金刚石涂层的问世是近年来刀具涂层技术发展的一个重要成 就。化学气相沉积法制备金刚石膜技术，起始于1 9 7 0 年前苏联d e r y a g i n ，s p i t s y n 和f e d o s e e v ， 等人的成功试验，先后在低压下利用热解c b 。或c h 4 的方法实现了金刚石多晶薄膜的沉积。并 在1 9 7 6 年他们就有论文公开发表在学术刊物上。虽然这种方法生长金刚石的速度非常缓慢 ( o 1 n m 1 1 ) ，但却使人们看到了在低压下合成金刚石的可能。约在1 9 8 0 年前后，日本s e t a k a 等 人重复了前苏联先前的工作，用实验证实了前苏联人在低压条件下非金刚石衬底上气相生长的 金刚石晶体是可行的，并于1 9 8 1 年用热丝法和1 9 8 2 年用微波法和射频等离子体法，沉积了c v d 2 南京航空航天大学硕士学位论文 金刚石膜。1 9 8 6 年2 月美国公开宣布，也用低压气相生长方法沉积金刚石取得成功，由于化学 气相沉积的金刚石以膜的形式存在，同时制造成本低，可以大面积化、曲面化，而且其厚度可 按需要从不足一微米直至数毫米，制备出的c v d 金刚石膜物理性能和天然金刚石基本相同或 接近，化学性质完全相同，充分利用了金刚石的各种优异物理化学性能，使金刚石的应用领域 大大拓宽，由此引起轰动【5 】。这项新技术引起了世界众多学科的科技工作者极大的兴趣，由此 掀起了全球金刚石膜研究热。这股金刚石膜研究热潮，不仅使发达国家如日本、美国、德国等 投入了大量的人力物力，发展中国家，如中国、印度等国也相继卷入。经过近2 0 年全球范围的 研究，至今取得了令人瞩目的发展，已经研究出多种金刚石膜制备方法并沉积制备出性能比较 优异的大面积金刚石膜。1 9 8 6 年9 月1 4 日美国著文声称“从金刚石膜工艺中看到了技术的新 纪元”。日本从1 9 8 6 年就着手生产以金刚石膜为基础的高技术产品。1 9 8 8 年美国c r y s t a _ l l u m e 公司用金刚石膜制备出窗口材料【6 。 1 ，2 2c v d 金刚石膜技术研究现状 自2 0 世纪8 0 年代c v d 金刚石膜沉积技术取得突破性进展以来，全世界掀起了金刚石膜 及其产品的制备和应用研究热潮。经过近三十年的开发应用研究，c v d 金刚石膜的应用已经进 入实用阶段，甚至在一些国家已经开始产业化。 国外方面，日本和美国的制备技术处于世界领先，他们所提出的制备方法、工艺和所研制 的设备已经基本完善，并且开始产业化生产。例如g e 公司、s p 3 公司、e 6 公司、a p o l l o 公司、 s e k i 公司等等均已实现了人造金刚石和金刚石膜的产业化，并且有专门的金刚石膜沉积设备在 市场上销售【8 一。 我国金刚石膜的研究工作在我国起步较晚，从我国把c v d 合成金刚石膜列入国家“8 6 3 ” 计划后，我国投入大量人力和财力进行研究开发，但总体说来，我国在金刚石膜的制备和应用 方面与国外都还存在着一定的差距，这在一定程度上制约了我国电子计算机、航空航天、金属 加工和军事等工业的技术进步，尤其是集成电路和导弹技术的发展受到了限制。十多年来，国 内已开始重视金刚石薄膜的研制和开发工作。上海交通大学、中国科技大学、南京大学、南京 航空航天大学、吉林大学、北京科技大学等众多高等院校和研究所均在开展相关开发研究 1 m 1 3 】。 目前这些院校和科研机构在金刚石膜的制备和应用研究方面已经达到实用化阶段，并且成功研 制出多种c v d 金刚石膜产品，在金刚石研究的各个方面如电子功能器件、场电子发射、涂层 刀具等都有一定的成果。 目前c v d 金刚石膜的应用研究主要集中在切削刀具、磨削刀具、刀具涂层、医用手术刀、 电子材料、高温半导体器件、紫外探测器、光学窗口材料、雷达干扰带、散热元件、传声材料 等领域，其中尤以机床刀具、热沉、半导体及光学的应用研究为岁悼1 7 1 。 3 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 1 2 3c v d 金刚石膜的制备方法 目前，国内外c v d 金刚石膜的制备方法有十几种 1 8 - 2 0 】，主要有热丝法，微波法 离子体法，直流电弧等离子体法等。这众多c v d 制备方法的制备原理都是高温条件 气分解，生成碳原子或甲基原子团等活性粒子，并在一定工艺条件下，在基材( 衬底 沉积生长出金刚石膜。c h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 5 0 h 、c o 等含碳气体和氢气的混合气体在高 条件下经过一个激发区( 如热丝或微波放电等) ，在那里获得能量而激发为反应粒子、 子和电子，并加热到数千度，经过激发区后这些反应粒子继续混合并经历一系列复杂的化学反 应，产生某些活性基团，如原子氢h ，c h 3 等，到达基片表面后，如果所有的条件适宜，就会 在基体上沉积出金刚石膜。它要求真空度不高，但温度较高，要求在4 0 0 c 以上，一般在 6 0 0 一1 0 0 0 之间。以下分别介绍几种主要的c v d 金刚石膜的制备方法。 ( 1 ) 热丝c v d ( h f c v d ) 热丝c v d 法【2 1 1 是将反应室抽成真空后通入甲烷和氢气的混合气体，电流将灯丝加热至 2 0 0 0 c 以上，使基片温度达到5 0 0 - - 9 0 0 c ，反应气体被加热后产生原子态氢，原子态氢与甲烷 反应产生激发态的甲基，碳氢气体分解，促使金刚石s p 3 杂化，c c 键的形成，使金刚石在基 片上沉积而获得金刚石多晶薄膜。该法因靠热丝作热源，热介效率较低，一般只在小面积上生 长金刚石膜，生长速率为0 3 - 2 # m h ，另外成膜不易均匀，且含有非金刚石的成分。该法制备 金刚石膜对生长条件参数控制要求不高，反应室的压力和混合气体浓度的范围较宽，设备投资 小，结构简单，能够实现工业化。 ( 2 ) 电子辅助c v d ( e a c v d ) 电子辅助c v d 2 2 1 与h f c v d 基本相同，只是在装置上比h f c v d 有所改进，在灯丝和放置 基片的衬底之间增加一直流电压，加热的灯丝发射热出电子，电子在电场的作用下将混合反应 气体电离。该方法除具有h f c v d 的特点外，提高了生长速率和成膜质量，沉积速率可达到 2 1 0 # m h 。 ( 3 ) 微波等离子c v d ( m 、) i ，p c v d ) 微波等离子c v d 法【2 3 1 是将微波通过导波管输入到反应室内，甲烷和氢气的混合气体进入 反应室后在微波的激发下产生辉光放电，形成离子体，经过轴对称约束磁场到达基片上，从而 在基片上沉积出金刚石膜。该法特点是单位体积电子密度高，原子态氢的浓度大，可以在较大 压力下产生稳定的等离子体，金刚石膜质量好，但生长速度低，设备复杂，对微波源及其功率 控制要求高，成膜面积难扩大。 ( 4 ) 直流等离子c v d ( d c p c v d ) 直流等离子c v d 法【6 】是将甲烷和氢气的混合气体以一定的流速进入反应室，在一定的电压 和电流密度下直接放电，由于电子的轰击，使反应气体等离子化，分解成c 、h 、h 2 等多种离 4 南京航空航天大学硕士学位论文 子，形成离子体，同时基片温度升高到8 0 0 c ，在基片上沉积形成金刚石。直流等离子c v d 法 的放电电压高，电流密度大，生长速度快，可达2 0 # m h ，长出的金刚石结晶形态好，但是等离 子体化学反应过程复杂，放电和等离子体的控制较难，工艺复杂，设备投资大。 ( 5 ) 直流电弧等离子体喷射c v d ( d a p c v d ) 直流电弧等离子体喷射c v d t 2 4 1 是将甲烷、氢气和氩气的混合反应气体在由石墨( 或钨) 制成的圆柱形阴极管和阳极管之间放电，在管的周围产生等离子体，当基片温度在5 3 0 - - - 1 2 3 0 c 时，可以长出结晶形态较好的金刚石多晶薄膜。其特点是放电电压低，放电电流大，可制造较 厚的金刚石膜，生长速度达到1 8 0 # m h ，是目前合成金刚石膜最快的方法，但设备投资大，工 艺复杂，薄膜的均匀性有待提高。 1 2 4 金刚石涂层刀具 化学气相沉积金刚石保留了天然金刚石的属性，其超高的弹性模量保障了非常高的尺寸稳 定性及耐磨性。和天然金刚石一样，化学气相沉积金刚石的摩擦系数很低，因此切削力和功耗 很低，摩擦发热很低，切割时可以防止积屑瘤的形成。c v d 金刚石组合了单晶金刚石和p c d 的优点【2 5 1 ，首先，由于c v d 金刚石不含金属粘结剂，杂质含量低，故其硬度和热导率比p c d 更高，磨擦系数更小，化学和熟稳定性更好( 见表1 2 【2 配刀) ；其次，c v d 金刚石为多晶材料， 克服了单晶金刚石固有的各向异性、易解理的缺点。另外，由于c v d 金刚石可沉积在任意形 状的基体上，因此可以制造出各种复杂型面的金刚石刀具，如钻头、立铣刀、带断屑槽的刀片 等。 表1 2 刀具材料及涂层的性能对比 5 整体硬质合金c v d 金刚石涂层立铣刀的应用基础研究 一般地，金刚石涂层刀具比不带涂层的钨硬质合金刀具的寿命长1 0 - 2 0 倍，利用 层刀具，可实现无人值守加工，用一把刀具可以完全a n t 多个工件，大火减少磨损及 新校正。 1 2 5 金刚石涂层铣刀的研究现状 目前国内外对金刚石涂层刀具的研究多集中于在车刀、铣刀片等平面刀具上沉积金刚石涂 层，国外已经有多家大型公司( 美国n o r t o n 、c r y s t a l l u m e 公司、日本的三菱公司等) 进行商业 化生产，但其相关技术工艺均不对外公布。国内也有少数单位在进行这方面的研究，但受硬件 设备等条件制约，与国外先进技术相差很大，基本处于研究阶段，距离产业化甚远。而在钻头、 整体铣刀上沉积金刚石涂层，国内外研究的都比较少，一般认为在钻头、整体铣刀这类具有复 杂曲面的刀具基体上沉积出附着力较好的金刚石涂层是很困难的，但不是不可行的。国外已有 商品化的金刚石涂层铣刀、钻头销售，如图1 1 所示，但其制备工艺同样只掌握在少数公司手 中。1 9 9 7 年的资料称日本u n i o n 公司和a s a h i 金刚石公司合作开发的金刚石涂层硬质合金立 铣刀，其耐磨性是原公司产品的2 0 倍，广泛应用于e d m 电极、数字家电、汽车零件等模具的 铣削加工，年销售额达2 亿日 图1 1c v d 金刚石涂层铣刀 j a ng a b l e r t 2 8 1 等采用热丝c v d 法在直径0 0 5 l m m 的硬质合金直柄刀具( 铣刀、钻头) 上r 沉积了金刚石涂层，实验表明，所制备的刀具具有良好的切削性能：p