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1、2012届本科毕业论文（设计）论文题目：涂层用硬质合金基体表面预处理方法综述学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间：2012年5月18日ii摘 要本文分析和综述了影响金刚石涂层硬质合金基体粘结性的主要因素。按照其原理来分，预处理方法可分为物理预处理法、化学预处理法以及中间层法。通过适当的预处理能有效消除或抑制基体中钴粘结相的负面影响，提高金刚石涂层与硬质合金基体间的粘结强度。全面概述了金刚石涂层硬质合金刀具的开发现状、存在的主要问题，重点对硬质合金刀具表面预处理方法的研究现状进行了综述，发现甲醇预处理方法对硬质合金衬底表面抑制Co催石墨化作用。将甲醇
2、预处理方法融入到传统的两步处理方法中,提出了新的两步预处理方法,采用甲醇预处理方法能够有效抑制Co对金刚石薄膜的不利影响,新的两步预处理方法既能保证金刚石薄膜与衬底之间的附着强度,又非常适用于复杂形状整体式回转硬质合金刀具、拉拔模具等衬底,对于拓展金刚石涂层在涂层刀具领域的应用具有一定的参考作用。 关键词：金刚石涂层；硬质合金；表面预处理 AbstractIn this paper，mainly analysis and summarizes the main factors of impacting the adhesion between diamond coatings and carb
3、ide substrateAccording to the principle the surface pretreatment method can be divided into physical pretreatment method，chemical pretreatment method，and the middle layer methodThrough the appropriate pretreatment can eliminate or inhibit the negative impact of cobalt binder phase in the substrate a
4、nd increase the strength between the diamond coating and the cemented carbide substrateComprehensive overview of diamond coated cemented carbide cutting tools development present situation, the existing problems, emphasis on cemented carbide cutting tools surface pretreatment method research are rev
5、iewed.A methanol pretreating method was proposed to reduce the Co concentration on the surface of WC-Co substrate; also a new two-step chemical procedure The results showed that the new two-step method increases the diamond nucleation density and enhance the adhesion strength greatly. The new two-st
6、ep chemical procedure is very suitable for complex shaped substrates, such as rotational cutting tools and drawing dies, which may broaden the use of diamond coatings for coated tool applications. Key Words：Diamond coatings；Cemented carbide；Surface pretreatment 目 录1绪论11.2国内外研究现状11.2.1 高速切削的优越性11.2.2
7、 硬质合金刀具材料的应用11.3刀具切削加工技术的重要发展趋势22设计要求23影响涂层与基体粘结性的不利因素34基体表面预处理方法34.1基体表面机械处理34.2化学浸蚀液（酸洗）清洗法44.3硬质合金表面激光辐照（热）处理54.4添加粘结促进剂54.5氧化处理法54.6硬质合金表面渗硼处理54.7等离子体碳氮共渗法64.8甲醇预处理方法64.9硼氮共渗法74.10中间层法75结论与展望85.1结论85.2应用前景展望8致 谢10参考文献11- 2 -1绪论硬质合金作为一种新型工具、结构材料。其问世和发展对世界工业的进展起着重要的推动作用。近年来，国内外学者对硬质合金基体的表面预处理新技术、新
8、工艺进行了大量的研究。基体表面预处理或改性的方法很多，按其原理区分，主要分为物理预处理法、化学预处理法以及中间层法三大类。上述三种方法都对涂层与基体的粘结效果有了较大改善,有些方法已在实际生产中得到了应用。为了寻找改善涂层与基体粘结效果更好的方法和途径, 必须首先了解影响金刚石涂层与硬质合金基体粘结性的各种因素。1.1引言涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广,加工范围显著扩大,使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大减少刀具的品种和库存量,简化刀具管理,降低刀具和设备成本
9、。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后,因基体材料和涂层材料性质差别较大,涂层残留内应力大,涂层和基体之间的界面结合强度低,涂层易剥落,而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。1.2国内外研究现状1.2.1 高速切削的优越性高速切削包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量切削等，其作为一种新的切削工艺，显示出独特的优越性；首先，是切削效率成倍提高；其次，是高速切削有利于提高产品品质、降低制造成本、缩短交货周期；此外，在高速切削技术的基础上，开发了干切削（准干切削、微量润滑切削）、硬切削（以车代磨、以铣代磨）等新工
10、艺，不仅提高了加工效率，改变了传统意义上不同切削工艺之间的界限，而且开创了切削加工“绿色制造”的新时代。与此同时，根据不同的加工要求，还出现了高进给速度的高效加工工艺（HPM）和高生产率加工工艺（HSM），反映出高速切削技术的巨大发展潜力。1.2.2 硬质合金刀具材料的应用对于高速切削加工，刀具材料更具有举足轻重的影响。当切削速度提高时，工具钢材料的刀尖，往往会因无法承受切削高温，而发生烧蚀或急剧磨损。目前适用于高速切削的刀具主要有涂层刀具、金属陶瓷（TiCN 基硬质合金）刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石（PCD）刀具等。众多的高速切削刀具中，只有硬质合金在装备制造企业得到广泛
11、的应用，分析其原因有二：首先是因为细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发，显著提高了硬质合金材料的强度和韧性，用它制造的整体硬质合金刀具（尤其是量大面广的中小规格通用刀具如钻头、立铣刀、丝锥等）用于替代传统的高速钢刀具，使切削速度和加工效率大幅度提高，把量大面广的通用刀具带入了高速切削范围。其次，硬质合金加压烧结等新工艺的开发和应用，提高了硬质合金的内在品质，针对不同加工需求开发专用牌号的做法，进一步提高了硬质合金的使用性能。1.3刀具切削加工技术的重要发展趋势目前，绿色加工技术已成为全球的热点，这个绿色，包括了经济、环保、高效。从环保角度看，一方面是高速高效加工带来能耗的降低，另一方面，冷却液与
12、润滑液的选择，是非常关键。如上所述，冷却液的成本在整体成本中所占比例颇高，达到16%左右。润滑与冷却的效果与整体的加工效率也非常相关，尤其是对难加工材料，如钛合金，切削到一定程度后，必须进行适当的冷却。随高速切削的发展，冷却液浇注时，刀具经常出现热裂的情况，导致刀具寿命降低，这一点需要改进。比如可以尝试着研发新型克服热裂缺陷的刀具材料，或者设计出更加合理的刀具结构（在刀具上设置排屑措施）。总之，在加工技术中，高精度、高效率、低成本、环保，及结果的可预见性，都将是明显的趋势。2设计要求涂层刀具(筒称涂层刀具)的整体强度由基体材料保证，而刀具的耐磨性等其它性能则由表面涂层材料来提供，涂层刀具是现代
13、刀具的一个重要发展方向。涂层材料有金刚石、TiN、TiC(N)、A12O3材料和TiAlN、CrTiAlN 等复合材料；衬底材料：Si3N4衬底等；涂镀方法：化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积（PVD)、真空溅射、多弧离子镀技术；预处理方法：酸洗研磨预处理法、甲醇预处理法、甲醇和传统两步法相结合法、Ar离子溅射清洗等。预处理新技术是用来消除硬材料与机体材料粘结相的不利影响，提高涂层薄膜的成核密度，改善涂层薄膜与衬底之间的附着力，提高刀具的耐用度。要求对硬质涂层刀具采用不同涂层材料和涂镀方法进行加工时所使用的预处理方法进行综合评述，以期找造更为合理的预处理方法，对新型涂层刀具的设计、开发与应用
14、等起到一定的指导和参考作用。3影响涂层与基体粘结性的不利因素金刚石与硬质合金在物理和化学等性能上的较大差异，以及硬质合金基体中粘结相Co对涂层与基体界面上金刚石薄膜生长的负面影响，是造成金刚石涂层与硬质合金基体粘结性较差的根本原因。通过分析CVD金刚石涂层硬质合金的过程和效果，可知造成金刚石涂层与硬质合金基体粘结性较差的直接因素有：在涂层与基体界面上有孔隙形成；在涂层与基体界面上存在非金刚石物质；较高的残余应力。首先，孔隙的形成，是由于较低的金刚石形核密度所致。金刚石晶核在硬质合金表面生长之前，在涂层与基体界面上有一个形核过程，形核密度低，将导致界面上的孔隙增加。而硬质合金基体中的粘结相Co对
15、金刚石的形核极为不利。对含Co量为3%10%的硬质合金上金刚石的形核率进行了研究，发现含Co量6%时，金刚石在硬质合金上的形核率极低。这导致了现在多数的研究都集中在含Co量小于6%的硬质合金上进行。其次，界面上形成的非金刚石物，对金刚石涂层的质量和粘结性有极大的影响。Meh lmann 等观察到，在金刚石沉积生长过程中，基体中的Co会向涂层方向扩散，致使涂层中形成许多含饱和C的球形Co粒子，从而严重影响金刚石涂层的质量。另外, Co的存在还促进涂层与基体的界面上形成非金刚石物，如石墨，非晶C等。从热力学上来讲，在沉积条件下石墨是C的稳定形态。因此，在沉积冷却过程中，从Co中析出的C会扩散到基体表面，形成粘结性差的类石墨薄膜 。最后，较高残余应力的产生是由于金刚石涂层和硬质合金基体的热膨胀系数相差较大造成的。金刚石的线热膨胀系数为 ，而硬质合金的线热膨胀系数为(随Co含量不同而变化)。结果，金刚石涂层受残余压应力，而硬质合金基体受残余拉应力，残余应力越大，金刚石涂层与硬质合金基体的粘结性越差。上述研究表明，在金刚石沉积过程中，硬质合金基体中的Co不仅影响金刚石涂层的质量，同时，对金刚石的形核与生长，以及粘结性都极为不利。因此, 要改善金刚石涂层与硬质合金基体的粘结性，必须克服上述三个不利因素。 4基体表面预处理方法4.1基体表面机械处理基体表面机械处理
