CVD金剛石涂層研究

     金剛石涂層是一個新興的高技術(shù)領(lǐng)域，十二五規(guī)劃中明確指出，開發(fā)復(fù)合材料系列刀具以及專用金剛石涂層整體硬質(zhì)合金刀具為科技重大專項。目前，CVD金剛石涂層技術(shù)已日趨成熟，國外已經(jīng)有多家以CVD金剛石涂層刀具技術(shù)進行研發(fā)和生產(chǎn)的公司，雖然CVD金剛石涂層刀具在國外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了實際生產(chǎn)當中，但是我國還無法進行優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。CVD金剛石薄膜替代天然金剛石能夠降低生產(chǎn)成本，其許多優(yōu)勢將會是未來我國發(fā)展的重點，也會是刀具行業(yè)突破的重心。

　　1、BDM-UM-UNCD的研發(fā)

　　結(jié)合不同的單層金剛石薄膜的不同特點開發(fā)多層復(fù)合金剛石薄膜是獲得高性能金剛石薄膜的有效途徑，在現(xiàn)有文獻中，兩層和多層未摻雜微米和未摻雜納米復(fù)合金剛石薄膜(UM-UNCD)，以及基于UMCD和UNCD開發(fā)的超光滑復(fù)合金剛石薄膜已經(jīng)得到了系統(tǒng)研究，證明了微米金剛石晶粒與基體之間具有較緊密的機械鎖合，而復(fù)合薄膜表層的UNCD薄膜或超光滑薄膜則表現(xiàn)出低的表面粗糙度。

　　王新昶等在上述研究基礎(chǔ)上進行了BDM-UM-UNCD薄膜在鋁塑復(fù)合管(PAP)拉拔模具內(nèi)孔表面的制備及應(yīng)用研究，驗證了復(fù)合金剛石薄膜在油潤滑及水潤滑拉拔PAP過程中的應(yīng)用效果，得到的結(jié)論是：

　　(1)采用仿真優(yōu)化后的沉積參數(shù)，在硬質(zhì)合金PAP拉拔模具基體整個內(nèi)孔表面沉積了厚度比較均勻的BDM-UM-UNCD薄膜，其中主要工作區(qū)域沉積的復(fù)合金剛石薄膜具有較高的表面質(zhì)量和均勻的薄膜厚度，在次要區(qū)域沉積的薄膜厚度較小，表面質(zhì)量有所下降，但不會影響模具使用。

　　(2)采用側(cè)錐孔拋光機，內(nèi)孔拋光機、超聲研磨拋光機和磨料流體拋光機相結(jié)合的系列化機械拋光工藝可高效地將BDM-UM-UNCD薄膜涂層拉拔模具內(nèi)孔表面不同區(qū)域(入口區(qū)、壓縮區(qū)、定徑帶和出口區(qū))的表面粗糙度Ra拋光至44.7nm、22.2nm、33.1nm和30.8nm，拋光效率明顯高于傳統(tǒng)的UMCD、BDMCD和BDM-UMCD薄膜涂層拉拔模具。

　　(3)BDM-UM-UNCD薄膜涂層拉拔模具在油潤滑應(yīng)用試驗條件下的使用壽命僅次于BDM-UMCD薄膜涂層拉拔模具。考慮到拋光效率，BDM-UM-UNCD薄膜涂層拉拔模具更具實用性;在油潤滑條件下，BDM-UM-UNCD薄膜涂層拉拔模具表現(xiàn)出明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金及其它類型金剛石薄膜涂層拉拔模具的綜合應(yīng)用效果。

　　(4)BDM-UM-UNCD薄膜涂層PAP拉拔模具在水潤滑條件下同樣表現(xiàn)出極高的使用壽命和良好的應(yīng)用效果，有助于推動水潤滑技術(shù)在拉拔生產(chǎn)中的應(yīng)用，推進實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

　　2、CVD納米金剛石涂層工具

　　當前，切削工具、拉絲模、滑動軸承以及許多抗摩擦復(fù)合件的基體材料主要采用硬質(zhì)合金。傳統(tǒng)的切削工具由于存在摩擦磨損嚴重而且壽命短等缺點，難以滿足高速高效切削的需要，因此，在硬質(zhì)合金基體上沉積金剛石涂層就成為改善或解決這些問題的一種有效方法。金剛石涂層硬質(zhì)合金工具非常適合于高效和高精度非鐵系金屬和合金、金屬復(fù)合物材料和硬脆非金屬材料(如陶瓷、石墨和增強型塑料)的加工，與非沉積涂層硬質(zhì)合金相比，現(xiàn)實的應(yīng)用表明金剛石涂層硬質(zhì)合金大大提高了工具的使用壽命。同時由于薄膜金剛石涂層切削工具的低成本和高效能，使之在商業(yè)化應(yīng)用中極具潛能。

　　與聚晶金剛石(PCD)工具相比，CVD納米金剛石工具具有制備工藝簡單，而且可以做成各種復(fù)雜的幾何形狀的優(yōu)點，但因金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體間附著性較差的缺點限制了CVD納米金剛石涂層刀具的大規(guī)模化工業(yè)的應(yīng)用。

　　近幾年，隨著研究的深入開展，基體與薄膜附著力問題取得了很大進展，并且開發(fā)出表面平整、不需刃磨的納米金剛石涂層工具而使人們將注意力重新轉(zhuǎn)向納米金剛石涂層刀具的研究。以下是劉書軍等人重點對其發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景展望。

　　CVD納米金剛石涂層工具既具有硬質(zhì)合金的強韌性，又兼具了納米金剛石表面平整光滑、摩擦系數(shù)小和容易研磨拋光等優(yōu)點，在切削加工領(lǐng)域的需求日益廣泛。但是從發(fā)展水平來看，目前國內(nèi)外納米金剛石涂層的研究還處于基礎(chǔ)性研究階段，還有不少關(guān)鍵問題亟待解決，如納米金剛石涂層沉積效率較低，涂層附著力較低，薄膜質(zhì)量有侍進一步提高等。納米金剛石涂層的應(yīng)用研究剛剛起步，尚未形成成熟產(chǎn)品，距產(chǎn)業(yè)化還有很大距離。不過隨著新型的納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)的開發(fā)，不僅能大幅度提高模具和工具的使用壽命，有效降低成本和提高生產(chǎn)效率，而且能從根本上改進加工質(zhì)量，提升產(chǎn)品檔次，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　由于CVD納米金剛石涂層通過二次形核增強了刀具表面的平整性，使得在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用前景非常廣闊。雖然存在CVD納米金剛石涂層工藝不穩(wěn)定、不成熟的缺點，但是隨著科研工作者的繼續(xù)努力，相信不久的將來，CVD納米金剛石涂層不論在技術(shù)、設(shè)備還是工藝上都會得到很大進展。隨著能源經(jīng)濟節(jié)約意識的加強和綠色經(jīng)濟的推廣，CVD納米金剛石涂層的應(yīng)用前景將是十分廣闊的。

　　3、無油縫紉機零配件金剛石涂層技術(shù)

　　無油化技術(shù)成為縫紉機技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。近幾年，國內(nèi)一些有實力的縫紉機生產(chǎn)企業(yè)也加入了無油縫紉機的生產(chǎn)行列。而國外品牌的無油縫紉機均采用縫紉機零部件表面進行納米自潤滑涂層來實現(xiàn)無油化。國內(nèi)有部分廠商采用外發(fā)至日本加工涂層，但是成本高，交貨期得不到保證。

　　目前，國內(nèi)有些企業(yè)經(jīng)過多年研制，在普通類金剛石(DLC涂層，也就縫紉機行業(yè)所說的黑金剛石涂層)的涂層基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷的工藝創(chuàng)新，研制出了適合于縫紉機行業(yè)的各類專用類金剛石涂層，因其適中的價格，優(yōu)良的性能，目前已被國內(nèi)幾大縫紉機廠所采用。

　　DLC(類金剛石)涂層特點：

　　具有很高的硬度(HV2500)，優(yōu)良的耐磨性，摩擦系數(shù)極低(低至0.06)，膜層4μm厚，與基體結(jié)合力很強，具有優(yōu)異的耐蝕性，能耐各種酸、堿等腐蝕遠對金屬、塑料、橡膠、陶瓷等均有良好的抗粘結(jié)和防咬合性能，表面粗糙度低(可達鏡面級)，可在各種鋼鐵、鈦合金、鋁合金、硬質(zhì)合金等材料上沉積。

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