钢基镶嵌结构界面金刚石膜及其膜/基结合力的研究

论文摘要

金刚石具有优异的物理、化学性质，在自然界所有物质中具有最高的硬度，室温下有最高的热导率、低摩擦系数、良好的化学稳定性，这些优异性能使得金刚石膜在机械加工领域有着广阔的应用前景。尽管金刚石涂层钢基工具能有效提高工具的使用寿命和加工性能，然而由于Fe与界面金刚石的石墨催化效应，难以直接在钢铁基体表面沉积出与基体结合牢固的金刚石涂层。采用中间过渡层是目前提高钢基表面金刚石薄膜质量和薄膜粘结力的主要方法。本文采用磁控溅射Cr层作为扩散阻挡层，复合电镀Cu-diamond作为镶嵌结构界面，然后采用热丝化学气相沉积法（HFCVD）制备了钢铁基体镶嵌结构界面金刚石膜。结果如下：研究了Cr/Cu层在CVD环境下的界面结合问题，采用电镀法和磁控溅射法制备了Cr/Cu膜，在CVD环境下热处理1小时以检测其是否剥落，实验证明电镀法制备的Cr/Cu膜在CVD环境下发生鼓泡，而磁控溅射法制备的Cr/Cu膜结合良好，因此选择磁控溅射法制备Cr/Cu膜，然后再复合电镀Cu-diamond作为镶嵌结构界面。研究了Cr层作为Fe、C扩散阻挡层所需要的厚度，通过磁控溅射法制备不同的Cr/Cu层，其Cr层厚度分别为2.1μm、4.2μm，接着复合电镀Cu-diamond和热丝CVD金刚石膜，SEM、EDS、XRD、拉曼光谱显示Cr层为2.1μm的金刚石膜发生崩裂，金刚石膜界面处含有较高含量的Fe元素，薄膜中存在一定量的石墨相，这些都说明2.1μm的Cr层不能有效的阻止Fe元素的扩散；而Cr层厚度为4.2μm的金刚石膜没有崩裂，具有较好的质量，证明了4.2μm的Cr层有效地阻止了Fe元素的扩散。研究了Fe、Cr、Cu和C元素在CVD过程中的扩散现象以及界面反应，发现Cr层和铁基体之间形成一定厚度的互扩散层，在Cu层和金刚石膜之间形成了碳化铬层，它们对Fe元素的扩散都起到一定的阻挡作用。研究了CVD工艺对薄膜均匀性，纯度和内应力的影响。研究表明，相对于400W，450W的钨丝功率下钨丝温度和基体温度高，从而使沉积的金刚石颗粒棱角分明，晶面平整，颗粒尺寸稍大，且结晶质量和纯度更优，内应力稍小，而500W的钨丝功率使钨丝挥发，严重污染金刚石膜；相对于5.5kPa的沉积气压，4.5kPa沉积条件下的气体电离率高，有更多的含碳基团参与反应生成金刚石，从而使金刚石生长速度快，颗粒尺寸大，但也使膜的内应力增加；相对于甲烷浓度为0.5%、1.5%、2.0%，甲烷浓度为1.0%时制备的金刚是薄膜较致密，内应力较低，纯度较高。研究了不同颗粒尺寸的镶嵌金刚石对薄膜附着力的影响，发现颗粒尺寸越小，上砂颗粒的密度越高，但薄膜附着力却越差，镶嵌有10μm金刚石颗粒的薄膜具有最好的膜基结合力，在45Kg载荷下不会发生大面积的崩落。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 CVD 金刚石膜概论
• 1.2.1 金刚石的结构
• 1.2.2 金刚石膜的性能
• 1.3 金刚石膜的制备方法及原理
• 1.3.1 金刚石膜的制备方法
• 1.3.2 金刚石膜的制备原理
• 1.4 钢铁基体 CVD 金刚石膜的研究现状
• 1.4.1 平直界面结构过渡层
• 1.4.2 镶嵌结构界面过渡层
• 1.5 本文研究的内容和意义
• 1.5.1 本文研究的内容
• 1.5.2 本文研究的意义
• 第二章 实验材料设备及表征
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验材料
• 2.3 制备样品的关键步骤、原理及其设备
• 2.3.1 磁控溅射 Cr/Cu 膜
• 2.3.2 复合电镀
• 2.3.3 热丝化学气相沉积金刚石膜
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 扫描电子显微镜
• 2.4.2 X 射线衍射仪
• 2.4.3 共聚焦激光拉曼光谱仪
• 2.4.4 表面洛氏硬度计
• 第三章 扩散阻挡层的制备与性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 采用电镀法制备 Cr/Cu 膜
• 3.2.1 电镀 Cr-Cu 膜的形貌和相分析
• 3.2.2 电镀 Cr/Cu 膜的退火热处理
• 3.3 磁控溅射法制备 Cr/Cu 双层膜
• 3.3.1 磁控溅射 Cr/Cu 双层膜的形貌和相分析
• 3.3.2 磁控溅射 Cr/Cu 膜的结合力测试
• 3.3.3 制备金刚石膜
• 3.4 磁控溅射 Cr/Cu 膜的改进
• 3.4.1 磁控溅射 Cr/Cu 膜的形貌分析
• 3.4.2 制备金刚石膜
• 3.4.3 界面分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢基体镶嵌过渡层上 HFCVD 工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 钨丝功率
• 4.2.1 表面形貌分析
• 4.2.2 XRD 分析
• 4.2.3 拉曼光谱分析
• 4.3 工作炉压
• 4.3.1 表面形貌
• 4.3.3 拉曼光谱分析
• 4.4 甲烷浓度
• 4.4.1 表面形貌分析
• 4.4.3 拉曼光谱分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 钢基镶嵌结构金刚石膜的附着性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 制备不同金刚石粒度的复合镀层
• 5.3 HFCVD 金刚石膜样品的制备
• 5.4 不同金刚石粒度的复合镀层沉积金刚石膜的拉曼分析
• 5.5 不同金刚石粒度的复合镀层沉积金刚石膜的结合力分析
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件