金剛石因具有極高的硬度、高導(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能已成為理想的刀具材料。CVD金剛石薄膜涂層刀具則是在刀具基體上直接沉積金剛石薄膜，因而適用于制造復(fù)雜形狀的刀具。

  然而，歷來被視為珍寶的天然金剛石的含量甚少，且價(jià)格昂貴，滿足不了社會(huì)的需求。為此，人們開始不斷地對(duì)人工制備金剛石的工藝進(jìn)行深入地研究。從1970年前蘇聯(lián)學(xué)者Deryagin等人在低溫低壓條件下用化學(xué)氣相沉積法(CVD)方法實(shí)現(xiàn)由石墨到金剛石的轉(zhuǎn)變，到80年代初日本學(xué)者Setaka等人首次用熱絲CVD法生長出金剛石薄膜，從而引起全球金剛石膜熱的現(xiàn)象，均顯示CVD金剛石膜的實(shí)用價(jià)值，并為金剛石材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用開拓了更為廣闊的天地。

  熱絲化學(xué)氣相沉積法制備金剛石薄膜涂層刀具

   人工制備金剛石薄膜涂層刀具的方法有多種，如熱絲法、微波法、火焰燃燒法和等離子體法等等。其中一直被業(yè)內(nèi)人士廣為推崇的熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)法是通過被加熱到2,000℃ ~ 2,400℃左右的熱絲(一般為鉭絲或鎢絲)分解含碳的氣體(甲烷、乙醇或者丙酮)形成碳活性粒子，這些碳活性粒子在氫原子的刻蝕作用下合成為金剛石結(jié)構(gòu)。在金剛石薄膜沉積過程中，熱絲和刀具基體之間的位置排布方式如圖1所示。反應(yīng)源包括碳源氣體(如丙酮，甲烷等)、氫氣以及輔助氣體(如氧氣、氬氣、氮?dú)獾?，碳源氣體的體積含量一般為幾個(gè)百分比，它被加熱后將產(chǎn)生碳活性粒子。同時(shí)，氫氣分解得到的活性氫原子基團(tuán)能夠刻蝕石墨，防止金剛石成分向石墨成分轉(zhuǎn)變。

   然而，在實(shí)際應(yīng)用中，金剛石薄膜與刀具基體之間結(jié)合強(qiáng)度低是導(dǎo)致刀具非正常失效的主要因素，并成為金剛石薄膜涂層刀具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要障礙。特別對(duì)于WC-Co具基體，由于Co的催石墨化作用以及硬質(zhì)合金與金剛石薄膜熱膨脹系數(shù)差異，一般情況下很難在未經(jīng)處理的刀具基體上沉積出高品質(zhì)的金剛石薄膜。在沉積金剛石薄膜前，通常采用“酸堿兩步法”對(duì)硬質(zhì)合金基體進(jìn)行預(yù)處理，來消除鈷粘接相的不利影響，從而提高金剛石薄膜的成核密度，改善薄膜與襯底之間的附著力。

  改善金剛石薄膜涂層刀具性能的新工藝

  一直以來，由于金剛石薄膜與硬質(zhì)合金襯底之間的附著力較低以及涂層表面粗糙等問題一直沒有得到徹底解決。因此，國內(nèi)外學(xué)者一直以來競相投入大量的資金與精力對(duì)金剛石薄膜進(jìn)行研究，從而開發(fā)出一些區(qū)別于“酸堿兩步法”的新型改善金剛石薄膜涂層刀具性能的工藝。

  新型復(fù)合預(yù)處理工藝

  CVD金剛石薄膜涂層刀具的性能與制備條件密切相關(guān)，本文從產(chǎn)業(yè)化角度研究了提高涂層附著力的Ar-H2微波等離子脫碳還原的的新型復(fù)合預(yù)處理工藝。

  該新型復(fù)合預(yù)處理工藝該是用稀鹽酸浸泡基體，并滴加少量的腐蝕促進(jìn)劑，以去除表層的鈷，再用金剛石研磨膏研磨基體表面。隨后在微波CVD設(shè)備中對(duì)基體表面進(jìn)行等離子刻蝕脫碳處理，微波功率200W，刻蝕時(shí)間15min，最后用含金剛石粉末的乙醇懸浮液超聲處理后置入反應(yīng)室。薄膜沉積設(shè)備為偏壓增強(qiáng)的熱絲CVD裝置，反應(yīng)氣體采用丙酮和氫氣，丙酮的體積比為1%~3%，反應(yīng)壓力為2-8kPa，熱燈絲為鉭絲，溫度約為2,200℃，偏流為0.1-0.3 A，基體表面溫度為 700-850℃，燈絲與基體距離5mm，沉積時(shí)間5h，得到的涂層厚度為5~15μm。

   是采用傳統(tǒng)“酸堿兩步法”預(yù)處理和新型復(fù)合預(yù)處理?xiàng)l件下，微波等離子脫碳還原的的新型復(fù)合預(yù)處理工藝可有效增大金剛石薄膜的晶粒尺寸。由壓痕對(duì)比圖可知，在未經(jīng)脫碳還原處理的基體與金剛石膜層之間，基體內(nèi)組織疏松，而且缺陷較多，金剛石膜與襯底表面的結(jié)合不致密，膜的附著力差。而在脫碳還原處理基體后，基體表面WC晶粒與金剛石膜接觸面相互鑲嵌形成致密的結(jié)合。在金剛石和基體之間形成自然過渡層，既可有效的阻擋金剛石生長過程中深層鈷向表面的擴(kuò)散，又可使金剛石晶粒嵌入到WC晶界之中，增大了金剛石和基體間的接觸面積，從而提高金剛石薄膜與基體之間的附著力。脫碳還原的效果越好，金剛石薄膜與襯底結(jié)合越致密，附著性能越好。

  硼摻雜CVD金剛石薄膜沉積工藝

   在對(duì)CVD金剛石薄膜涂層刀具的產(chǎn)業(yè)化研究過程中，眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)硼摻雜也能夠有效地降低CVD金剛石薄膜晶粒尺寸，提高薄膜與基體之間的附著強(qiáng)度。北京科技大學(xué)的呂反修等人研究了固體粉末滲硼并酸堿兩步預(yù)處理后硬質(zhì)合金基體的表面組織、形貌、粗糙度等，并在處理過的硬質(zhì)合金基體上用強(qiáng)電流直流伸展電弧等離子體CVD法沉積微晶金剛石薄膜涂層。研究結(jié)果表明，金剛石涂層刀具的切削性能明顯優(yōu)于無涂層硬質(zhì)合金刀具。中科院的王建華等人利用H2-NH3-B2O3等離子對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金刀具基體表面進(jìn)行硼氮共滲預(yù)處理2小時(shí)，然后采用微波等離子CVD方法制備了金剛石薄膜。結(jié)果表明等離子硼氮共滲預(yù)處理后所制備的金剛石薄膜具有較高的品質(zhì)。NH3引入H2-B2O3等離子中可以有效的阻止硼氮共滲預(yù)處理時(shí)等離子對(duì)鈷的刻蝕，確保了硬質(zhì)合金基體具有較好的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)硼氮共滲預(yù)處理可以固化基體表面的鈷元素，形成鈷的化合物，避免鈷的催石墨化作用。硼摻雜不僅能夠有效降低CVD金剛石薄膜晶粒尺寸，提高薄膜與基體之間的附著強(qiáng)度，還可以細(xì)化金剛石薄膜涂層刀具表面金剛石薄膜晶粒、降低薄膜的表面粗糙度，對(duì)于金剛石涂層工具在精密、高速加工領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。

  CVD納米復(fù)合金剛石薄膜沉積工藝

   CVD金剛石薄膜涂層刀具在切削加工石墨、高硅鋁合金、鋁基復(fù)合材料、工程陶瓷、纖維增強(qiáng)塑膠等難加工材料時(shí)顯示出廣闊的應(yīng)用前景。在切削過程中，為使工件表面具有較好的光潔度，客觀上要求刀具表面應(yīng)具有較小的表面粗糙度，以減少摩擦和刀具磨損，因此，在保證金剛石薄膜與刀具襯底之間的附著力前提條件下，在某些應(yīng)用中，金剛石薄膜涂層刀具的表面粗糙度就成為影響切削性能和保證加工精度的關(guān)鍵因素。

   許多研究者致力于改善常規(guī)金剛石薄膜的表面粗糙度和研究金剛石后續(xù)拋光技術(shù)。但是金剛石薄膜硬度高，且切削刀具形狀復(fù)雜，不利于后續(xù)拋光。因此，直接在刀具基體表面沉積一層表面粗糙度小的納米金剛石涂層技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。納米金剛石薄膜晶粒非常細(xì)小，可達(dá)7~10nm，甚至更小( 2~6nm)，比常規(guī)金剛石薄膜小兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上;表面光滑，薄膜摩擦系數(shù)很小，可達(dá) 0.03。而對(duì)于熱絲CVD沉積的金剛石薄膜，沉積工藝條件(如碳源濃度、反應(yīng)壓力等參數(shù))對(duì)金剛石薄膜的品質(zhì)和形貌、薄膜與襯底間的附著力以及薄膜表面的粗糙度有顯著影響。常規(guī)金剛石膜雖有良好的附著強(qiáng)度，但表面較粗糙;而晶粒細(xì)小、結(jié)晶性較差的納米金剛石多晶膜則表面光滑，但相較常規(guī)金剛石薄膜，納米金剛石薄膜與基體間的機(jī)械咬合作用較差，附著力不高。

  CVD納米復(fù)合涂層新工藝是通過控制CVD涂層工藝參數(shù)，在沉積初期和中期生長一層5~1μm厚的常規(guī)金剛石薄膜，而在后期繼續(xù)原位沉積一層約5μm厚的納米金剛石薄膜。這不僅可以減小金剛石薄膜的表面粗糙度，還可以保證金剛石薄膜與基體間的附著力和刀具的切削性能。形成納米金剛石涂層的主要機(jī)理是，當(dāng)碳源(丙酮)濃度增加時(shí)，勢(shì)必會(huì)降低氫濃度，基體表面大量吸附碳?xì)浠鶊F(tuán)。由于沒有足夠多的H 原子對(duì)其刻蝕，非金剛石相碳成分就會(huì)相應(yīng)增加。而金剛石薄膜中這些成分的增加會(huì)逐漸改變其三角形(111)面結(jié)構(gòu)的晶粒原貌，向球形晶粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這時(shí)由于金剛石按sp3鍵結(jié)合的生長過程容易形成缺陷，再加上反應(yīng)氣體壓力降低，H、OH、CH3、C2H2等活性粒子的自由形成行程較長，具有較大的能量，促進(jìn)二次成核的不斷發(fā)生，因此晶粒變細(xì)，薄膜表面平坦光滑。

   在CVD沉積后期采用同時(shí)升高碳源濃度和降低反應(yīng)壓力以得到納米金剛石復(fù)合涂層的新工藝是減小金剛石薄膜表面粗糙度有效方法，對(duì)于提高金剛石薄膜涂層刀具的耐用度和改善切削性能有顯著效果。圖3所示為納米復(fù)合和微米金剛石涂層鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的加工效果對(duì)比圖。由于納米復(fù)合金剛石涂層的表面粗糙度小，在鉆削CFRP時(shí)的摩擦力小，因此鉆削性能明顯改善，加工孔品質(zhì)好，鉆頭壽命顯著延長。

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