金剛石涂層工具制備及其應(yīng)用

前言

CVD（化學(xué)氣相沉積）金剛石薄膜因具有天然金剛石的高硬度、高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)異的性能，而被譽(yù)為21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的新型刀具涂層材料，適用于高硅鋁合金、金屬基復(fù)合材料、工程陶瓷、纖維增強(qiáng)材料等材料的切削加工。金剛石薄膜的優(yōu)勢(shì)在于可以在硬質(zhì)合金基體上直接沉積以制造復(fù)雜形狀金剛石涂層刀具。同時(shí)，金剛石薄膜作為理想的工具和耐磨涂層，還應(yīng)用于內(nèi)表面要求耐磨和低粗糙度的場(chǎng)合，如拉絲模、緊壓模等。對(duì)于硬質(zhì)合金金剛石涂層來(lái)說(shuō)，制約其產(chǎn)業(yè)化的主要因素是涂層的附著強(qiáng)度和涂層表面光潔度難以達(dá)到要求。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者或公司已經(jīng)在這方面做了大量的研究，取得了可喜的成績(jī)，尤其是國(guó)外，已經(jīng)在金剛石薄膜涂層刀具方面取得了較大的突破，并且正在走向市場(chǎng)化，而我國(guó)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的研發(fā)水平相比還有一定的差距。上海交通大學(xué)金剛石涂層課題組在硬質(zhì)合金襯底刀具和各種拉拔模具內(nèi)孔表面開(kāi)展了襯底表面預(yù)處理方法的選擇、沉積工藝參數(shù)的選擇以及后續(xù)拋光等方面的研究，并獲得了國(guó)家863計(jì)劃及多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助，先后在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊物上發(fā)表有關(guān)金剛石薄膜方面的論文100余篇。主要成果包括：首次在硬質(zhì)合金襯底表面直接生成納米金剛石薄膜；在硬質(zhì)合金刀具表面、拉拔模具內(nèi)孔表面以及平面耐磨器件上進(jìn)行了微米晶金剛石和納米金剛石復(fù)合涂層的制備研究，提高了襯底與金剛石薄膜之間的附著強(qiáng)度，改善了涂層的表面粗糙度，針對(duì)直徑小于2mm的噴嘴和拉絲模具，單純采用熱絲CVD法無(wú)法對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行金剛石涂層沉積，提出了一個(gè)細(xì)長(zhǎng)金剛石管的制備及其黏結(jié)轉(zhuǎn)移的新構(gòu)想，并試制成功金剛石細(xì)長(zhǎng)管。本書是對(duì)上海交通大學(xué)金剛石涂層課題組承擔(dān)的多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目研究工作的總結(jié)，主要內(nèi)容包括：（1）金剛石薄膜在硬質(zhì)合金工具制備中的應(yīng)用概述。（2）金剛石薄膜沉積質(zhì)量的影響因素研究，包括對(duì)微米金剛石薄膜和納米金剛石薄膜的制備及其性能表征。（3）硬質(zhì)合金CVD金剛石涂層刀片的制備及應(yīng)用，包括熱絲CVD制備低粗糙度高性能金剛石薄膜涂層刀片及其切削性能研究。

內(nèi)容概要

本書共分為五章，首先對(duì)CVD金剛石薄膜在硬質(zhì)合金刀具、拉拔模具和耐磨器件制備中的應(yīng)用進(jìn)行概述，然后對(duì)影響金剛石薄膜沉積質(zhì)量的各種因素進(jìn)行系統(tǒng)地試驗(yàn)研究分析，最后分別介紹如何制備低粗糙度高性能金剛石薄膜涂層刀片、整體式硬質(zhì)合金金剛石薄膜涂層刀具、納米金剛石涂層拉拔模具和自支撐金剛石細(xì)長(zhǎng)管。本書對(duì)以硬質(zhì)合金為襯底的刀具和拉拔模具金剛石涂層及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，豐富了CVD金剛石薄膜涂層理論和應(yīng)用技術(shù)。    本書可作為相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教學(xué)參考書，對(duì)從事金剛石薄膜材料和新型工具研制、生產(chǎn)和使用的專業(yè)人員也有一定的參考價(jià)值。

書籍目錄

《21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)叢書》序前言第一章  緒論  1.1  金剛石薄膜在硬質(zhì)合金工具制備中的應(yīng)用    1.1.1  金剛石材料在刀具制備中的應(yīng)用    1.1.2  CVD金剛石薄膜在硬質(zhì)合金刀具制備中的應(yīng)用.    1.1.3  CVD金剛石薄膜在拉拔模具制備中的應(yīng)用    1.1.4  CVD金剛石薄膜在耐磨器件制備中的應(yīng)用  1.2  本書總體思路第二章  熱絲CVD金剛石薄膜的制備原理及方法  2.1  金剛石薄膜制備原理  2.2  影響金剛石薄膜質(zhì)量的各種主要因素    2.2.1  襯底材料    2.2.2  襯底預(yù)處理    2.2.3  襯底表面溫度    2.2.4  碳源濃度    2.2.5  反應(yīng)壓力  2.3  熱絲CVD微米金剛石薄膜制備及其性能表征    2.3.1  襯底預(yù)處理    2.3.2  碳源濃度對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量的影響    2.3.3  襯底表面溫度對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量的影響    2.3.4  反應(yīng)壓力對(duì)金剛石薄膜質(zhì)量的影響  2.4  熱絲CVD納米金剛石薄膜制備及其性能表征    2.4.1  制備方法    2.4.2  襯底預(yù)處理    2.4.3  Ar濃度對(duì)納米金剛石薄膜質(zhì)量的影響    2.4.4  襯底表面溫度對(duì)納米金剛石薄膜質(zhì)量的影響    2.4.5  反應(yīng)壓力對(duì)納米金剛石薄膜質(zhì)量的影響    2.4.6  優(yōu)化條件下納米金剛石薄膜表面質(zhì)量  2.5  熱絲CVD金剛石薄膜的性能表征    2.5.1  薄膜附著力    2.5.2  薄膜成分    2.5.3  薄膜摩擦性能    2.5.4  薄膜其他性能第三章  熱絲CVD金剛石薄膜涂層刀具的制備及應(yīng)用  3.1  引言  3.2  熱絲CVD金剛石薄膜涂層刀片的制備及應(yīng)用    3.2.1  熱絲CVD金剛石薄膜涂層刀片的制備裝置    3.2.2  熱絲CVD金剛石薄膜涂層刀片的制備工藝及切削性能試驗(yàn)    3.2.3  熱絲CVD金剛石薄膜涂層刀片的應(yīng)用  3.3  熱絲CVD金剛石薄膜涂層大尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的制備及應(yīng)用    3.3.1  熱絲CVD金剮石薄膜涂層大尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的制備裝置    3.3.2  熱絲CVD金剮石薄膜涂層大尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的制備工藝    3.3.3  熱絲CVD金剛石薄膜涂層大尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的切削性能試驗(yàn)  3.4  熱絲CVD金剛石薄膜涂層小尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的制備及應(yīng)用    3.4.1  熱絲CVD金剛石薄膜涂層小尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的制備    3.4.2熱絲CVD金剛石薄膜涂層小尺寸整體式硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用第四章  熱絲CVD金剛石薄膜涂層拉拔模具的制備及應(yīng)用  4.1  引言    4.2  熱絲CvD金剛石薄膜涂層拉拔模具的制備裝置    4.2.1  大孔徑拉拔模具金剛石薄膜涂層制備裝置    4.2.2  小孔徑拉拔模具金剛石薄膜涂層制備裝置  4.3  熱絲CVD金剛石薄膜涂層拉拔模具的制備工藝    4.3.1  襯底預(yù)處理    4.3.2  沉積工藝    4.3.3  性能表征    4.3.4  后處理工藝  4.4  熱絲CVD金剛石薄膜涂層拉拔模具的應(yīng)用  4.5  熱絲CVD金剛石薄膜細(xì)長(zhǎng)管的制備    4.5.1  襯底的選擇    4.5.2  制備裝置    4.5.3  圓柱體表面金剛石薄膜涂層的制備工藝及性能表征    4.5.4  襯底去除方法    4.5.5  金剛石管質(zhì)量性能表征  4.6  熱絲CVD金剛石薄膜細(xì)長(zhǎng)管的應(yīng)用第五章  結(jié)論與展望  5.1  結(jié)論  5.2  展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.1.4.1 光滑襯底納米金剛石薄膜在同軸度測(cè)量?jī)xV形支承塊上應(yīng)用在光纖通信中，光纖活動(dòng)連接器是光纖傳輸中不可缺少的無(wú)源器件。它能實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與儀表、光器件與光纖間以及光纖與光纖間的活動(dòng)連接，并對(duì)接頭具有保護(hù)作用，給連接和維護(hù)帶來(lái)方便，是光器件中用量最大的無(wú)源器件。隨著光纖接入網(wǎng)的發(fā)展，光纜密度和光纖配線架上連接器密度不斷增加，目前使用的連接器已顯示出體積過(guò)大、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，因此小型化是光纖連接器的發(fā)展方向。小型化之一是縮小單芯光纖連接器尺寸，開(kāi)發(fā)小型化連接器，新型陶瓷插針直徑只有1.25mm，組裝密度比現(xiàn)有連接器要提高一倍多。連接器小型化對(duì)陶瓷插針的加工、檢測(cè)提出了更高的要求。陶瓷插針的內(nèi)外圓柱面同軸度需用專門的同軸度測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)。由于陶瓷插針的硬度較高，這要求測(cè)量?jī)x器的直接接觸部件具有很高的耐磨性。普通硬質(zhì)合金材料部件，由于使用壽命短，不能滿足其使用要求，若采用人造聚晶金剛石（PCD）來(lái)制造，其價(jià)格昂貴，而且加工制造困難，因此，迫切需要一種價(jià)格低廉、性能可靠的替代品。CVD納米金剛石薄膜具有十分接近天然金剛石的硬度、低的摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而成為該耐磨器件的最佳替代材料。該同軸度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。其基本工作原理是，檢測(cè)時(shí)機(jī)械爪將被測(cè)陶瓷插針?lè)胖糜趦蒝形面間，外圓柱面上下緣各與一橡膠摩擦輪接觸并由之帶動(dòng)在V形面上旋轉(zhuǎn)。上部摩擦輪軸線與陶瓷管軸線成一定夾角，使陶瓷插針旋轉(zhuǎn)時(shí)靠近擋板一端緊緊頂在透光孔上。從陶瓷插針另一端入射一束激光穿過(guò)陶瓷插針內(nèi)孔和擋板上小孔產(chǎn)生衍射花紋，對(duì)衍射花紋進(jìn)行檢測(cè)從而判斷陶瓷插針內(nèi)外圓柱面的同軸度誤差。工作時(shí)，陶瓷插針與V形面反復(fù)摩擦，因此V形面的耐磨性要求較高。V形塊材料為YG6硬質(zhì)合金，采用熱絲CVD法在該表面涂覆一層納米金剛石薄膜可以大大提高其耐磨性。裝配后的測(cè)量?jī)x如圖1-2所示，使用效果良好。

編輯推薦

《金剛石涂層工具制備及其應(yīng)用》對(duì)以硬質(zhì)合金為襯底的刀具和拉拔模具金剛石涂層及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，豐富了CVD金剛石薄膜涂層理論和應(yīng)用技術(shù)。

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