作者：满卫东 汪建华
作者：武汉化工 学院 满卫东 汪建华(end) 随着对提高金刚石薄膜刀具膜—基附着力工艺研究的不断进展，金刚石薄膜的附着强度将不断提高。可以预见，高质量、低成本的金刚石薄膜刀具将在机械加工中发 挥越来越重要的作用。 ·简化制备工艺，提高沉积速度，降低生产成本。 图7 不同厂家的金刚石薄膜刀具在相同加工条件下的性能差异 对于特殊几何形状刀具(如立铣刀等)，如何控制热流使大批量生产时刀具能均匀受热，也是亟待解决的技术难题。综上所述，涂覆金刚石薄膜的硬质合金刀具的工 艺研究方向除了提高膜—基附着力外，还应包括以下几个方面：
高浓度含碳气源可以提高金刚石薄膜的生长速度，但同时也会提高金刚石薄膜中的非金刚石成分，因此对含碳气源浓度的控制十分重要。图6为不同甲烷浓度对金刚石薄膜内应力的影响。 图5 不同温度下硬质合金表面Co含量的变化 2) 含碳气源浓度的控制
在 金刚石薄膜与基底之间添加中间过渡层可消除薄膜与基底因晶格失配、热膨胀系数差异而造成的内应力，同时可阻止在沉积过程中薄膜与基底之间直接发 生反应，可防止碳过度渗入基底并防止Co在沉积温度下从基底深处向表面扩散，从而影响金刚石的生长。中间过渡层材料的选择应遵循以下几点原则：①热膨胀系 数适中，可释放金刚石薄膜与基底之间的热应力；②与硬质合金和金刚石均有较好附着力；③化学性质稳定，具有一定机械强度；④可与Co反应生成稳定的化合 物，或能阻止Co在高温沉积过程中向表面迁移。常用的过渡层材料有Si及Ⅳa、Va、Ⅵa金属及其氮化物、碳化物和硼化物。过渡层可分为单一过渡层和复合 过渡层。单一过渡层材料包括Ti、B、Al、TiC、TiN、Cu等。虽然单一过渡层的制备工艺较简单，但由于材料的单一性，很难完全满足对过渡层的功能 要求。为此，在单一过渡层的基础上研制出了如B/TiB2/B、TiCN/Ti、WC/W、TiN/TiCN/TiN等复合过渡层。虽然复合过渡层的制备 工艺较复杂，但搭配合理的多层材料能较充分地满足对过渡层的功能要求，改善刀具性能。如采用如图4a所示的B/TiB2/B复合过渡层时，基底表面的B能 与Co化合生成性质稳定的CoB，从而钝化Co；表层的B与金刚石薄膜具有较好的附着性；过渡层主体TiB2可有效阻止Co迁移，同时又能释放金刚石薄膜 与基底之间的热应力。如图4b所示的TiCN/Ti复合过渡层能有效防止刀具体相因脱碳处理生成第三相(Co3W3C)而降低刀具基体强度，Ti与金刚石 薄膜也具有良好的附着性。制备中间过渡层的工艺方法主要有蒸发镀层法、溅射法、CVD法等。 按上式可估算出薄膜热应力σth=-4.21GPa(为压应力)，巨大的热应力可使金刚石薄膜与基底的附着力显著下降。 Tr——室温，取Tr=298K f) s)(Ts-Tr)(/1-f-th=Ef( 金刚石薄膜内的残余应力对膜—基附着力影响很大。薄膜内的残余应力主要包括热应力σth和本征应力σi两部分。热应力σth由薄膜与基底的热膨胀系数差异 引起，其经验计算公式为 2.3 添加中间过渡层 直接采用高温烧结的WC(不含Co)为基底材料，可使刀具基底在较高温度下沉积金刚石薄膜，并能加快沉积速度。此外，在刀具热压烧结成型前将金刚 石颗粒直接加入刀具原材料中，并通过适当工艺使刀具从主体到表面形成金刚石颗粒浓度的递增梯度，这样刀具中的金刚石颗粒就为CVD沉积金刚石提供了良好的 形核核心，从而可提高形核密度。 5) 选用高温烧结WC基底材料 将硬质合金刀具放入化学试剂中，利用置换反应将基底表面的金属Co置换成其它物质，如用Cu(电极电位0.343V)置换Co，从而达到去除表面层中Co 的目的，同时兼顾硬质合金的机械强度。 4) 化学反应置换Co 采用化学试剂钝化、等离子体钝化等方法，通过化学物质与金属Co发生反应，生成稳定的化合物，使基底表面层中的Co失去活性。 图3 硬质合金刀具表面的脱碳还原示意图 3) 钝化Co
图 1 涂层和非涂层硬质合金立铣刀加工硅铝合金的磨损对照 由于金刚石薄膜刀具显示了良好的应用前景和巨大的发展潜力，因此国内外刀具制造 商竞相投入大量资金对金刚石薄膜进行研制和开发。但是，迄今仅有少数几家国外制造商(如Norton、Mitsubishi、Sandvik等公司)生产 的金刚石薄膜刀具达到了工业化应用水平。究其原因，主要是金刚石薄膜与硬质合金基底之间附着力差的问题难以解决。在WC-Co硬质合金刀具上利用低压气相 沉积技术外延生长金刚石薄膜时，不同程度地存在着因两种材料间晶格失配、热膨胀系数差异造成的内应力；同时在采用CVD法沉积金刚石薄膜的过程中，作为硬 质合金粘结相的金属Co易引起碳的扩散和溶解，促进石墨生长，抑制金刚石的成核生长，使涂层与基底的附着力变差。图2为粘结相Co促进碳石墨化的示意图。 因此，提高金刚石薄膜与硬质合金基底之间的附着力是提高金刚石薄膜刀具性能的关键。大量研究表明，对硬质合金基底表面的预处理(以减少Co对金刚石薄膜沉 积的不利影响)、在基底与薄膜之间添加过渡层及合理控制薄膜的沉积工艺均可提高WC-Co硬质合金刀具基体与金刚石薄膜之间的附着力。
(10-6/K) 热导率
(kN/mm2) 热膨胀系数
(MPa) 杨氏模量
温度(℃) HV硬度
材料 熔点或分解
表1 常用硬质涂层材料的力学及热学特性
随 着汽车、航空、航天工业的发展对材料轻量化、高比强度等材质要求日益提高，有色金属、碳纤维增强塑料(CFRP)、玻璃纤维增强塑料 (GFRP)、纤维增强金属(FRM)以及石墨、陶瓷等新型工程材料的应用日趋广泛，这就对加工这些材料的切削刀具提出了更高要求。硬质合金作为一种广泛 使用的刀具材料，在加工上述新型工程材料时其使用寿命、加工质量和加工精度等并不理想。因此，在硬质合金刀具基体上涂覆金刚石薄膜就成为改善刀具切削性能 的有效手段。金刚石具有高硬度、高耐磨性、高热导率、低摩擦系数、低热膨胀系数等优异特性，是十分理想的刀具涂层材料。表1为金刚石与其它常用硬质涂层材 料的力学及热学性能对照表。 1 引言 摘要：提高金刚石薄膜与硬质合金基底之间的附着力是CVD金刚石薄膜刀具得以推广应用的关键因素。本文介绍了国内外采用CVD法制备金刚石薄膜刀具时提高 膜—基附着力的典型工艺方法，评述了WC-Co基底预处理及沉积工艺对CVD金刚石薄膜与基底之间附着力的影响。引用出處：
http://www.newmaker.com/art_22649.html
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