提高CVD金刚石薄膜刀具膜基附着力的工艺方法评述焊线

提高CVD金刚石薄膜刀具膜,基附着力的工艺方法评述

提高CVD金刚石薄膜刀具膜,基附着力的工艺方法评述 2011年12月10日 来源： 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。 1 引言 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。 表1 常用硬质涂层材料的力学及热学特性 材料熔点或分解温度(℃)HV硬度(MPa)杨氏模量(kN/mm2)热膨胀系数(10-6/K)热导率(W/m·K)Al2O32047210004006.5～25金刚石380080000105011100c-BN273050000440——SiC2760260004805.384Si3N41900170003102.517TiB23225300005607.830TiC3067280004608.334TiN2950210005909.330WC2776230007204.035

金刚石刀具可分为天然金刚石刀具、聚晶金刚石刀具和金刚石薄膜刀具三大类。由于天然金刚石资源稀少、价格昂贵，因此天然金刚石刀具在工业上应用不多；聚晶金刚石PCD(Polycrystalline-Diamond)刀具因制备工艺复杂、价格较高、刀具种类有限等原因，其在工业上的推广应用也受到一定限制；用等离子体化学气相沉积法(Plasma Chemical Vapor Deposition，PCVD)可以在复杂形状的刀具表面沉积金刚石薄膜，采用该方法制备金刚石薄膜刀具可提高沉积效率、降低生产成本。图1为采用金刚石涂层和无金刚石涂层的方形硬质合金立铣刀加工硅铝合金时的刀具磨损情况对照。由图可见，CVD金刚石薄膜可显著延长硬质合金刀具的使用寿命。因此，CVD金刚石薄膜刀具是一种在工业生产中用途广泛的高性能刀具。 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。 图2 粘结相Co促进碳石墨化示意图

2 提高膜—

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