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硬质合金CVD金刚石涂层最新进展.pdf

硬质合金CVD金刚石涂层最新进展

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2012-03-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《硬质合金CVD金刚石涂层最新进展pdf》,可适用于高等教育领域

硬质合金CVD金刚石涂层最新进展吕继磊满卫东陈朋朱金凤吴飞飞(武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室武汉)摘要金刚石因具有优异的物理化学性能被认为是理想的刀具材料。硬质合金基底上涂覆CVD金刚石薄膜有利于改善刀具的加工性能和寿命但涂层和基底之间存在热膨胀系数差异以及合金中Co对沉积有不利影响使得薄膜附着力较差。本文综述了近几年来各种提高CVD金刚石涂层刀具切屑性能的方法从提高薄膜附着力和改善金刚石膜的质量两个方面进行了讨论。并介绍了国外较先进的CVD金刚石涂层刀具的应用随着技术的不断成熟CVD金刚石涂层将会有更为广泛的应用。关键词硬质合金化学气相沉积金刚石薄膜过渡层TheLatestDevelopmentofCVDDiamondCoatedonCementedCarbideLvJileiManWeidongChenPengZhuJingfengWuFeifei(ProvincialKeyLaboratoryofPlasmaChemistryandAdvancedMaterials,WuhanInstituteofTechnology,WuhanHubei,China)ABSTRACTDiamondisconsideredasanidealcuttingtoolmaterialduetoitsexcellentphysicalandchemicalpropertiesCVDdiamondfilmscoatedoncementedcarbidecanleadtosignificantimprovementsinthelifeandprocessingperformanceofcuttingtoolsHowever,thelargedifferenceofthermalexpansioncoefficientisfoundbetweencoatingandsubstrate,andCoincementedcarbideisalsodisadvantageoustodiamonddeposition,whichresultsinpooradhesiontosubstrateInthispaper,variousmethodsinimprovingtheperformanceofCVDcoateddiamondtoolsaredescribedIndetails,wediscussabouthowtoimprovecoatingadhesionanddiamondqualityrespectivelyFinally,theapplicationofadvancedforeigntechniquesinCVDdiamondcoatingtoolsareintroducedaswellCVDdiamondcoatedtoolswillhavewiderapplicationwiththedevelopmentofthetechniqueKEYWORDScementedcarbideChemicalVaporDeposition(CVD)diamondfilmsinterlayer作者简介:吕继磊()男武汉工程大学硕士研究生研究方向:低温制备金刚石薄膜及其应用。通讯作者:满卫东()男武汉工程大学教授研究方向:微波等离子体制备金刚石膜及其应用。金刚石是自然界中最硬的物质因耐磨、导热性高及良好的化学稳定性等诸多优异性能使其成为磨料和切削工具的理想材料。但是单独使用金刚石很脆无法进行高强度的加工且单晶金刚石刀具因成本高和抗冲击性差的软肋导致其应用领域受到限制。而相对价格较低的金刚石薄膜却有着更大的发展空间。硬质合金与CVD(ChemicalVapourDeposition)金刚石薄膜的结合使刀具既表现出金刚石高的硬度和耐磨性也表现出硬质合金本身良好的抗冲击性和强韧性加之低的制造成本将广泛应用到超精密的加工领域如汽车、航空航天、集成电路板卡等。年月Oct第卷第期VolNo硬质合金CEMENTEDCARBIDE!!!!"!"!!!!"!"综合评述doi:jissn硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷DiamondtoolPloycrystallinediamondtoolSinglecrystaldiamondtool数据表明金刚石涂层可使硬质合金刀具的加工性能大为提高如对有色金属及其合金、复合材料、陶瓷材料等进行加工其使用寿命可提高数十倍。利用CVD的方法所制备的金刚石膜含杂质较少生长容易控制并能在几何形状复杂的基底上沉积。目前CVD金刚石涂层技术已经日趋成熟国外已经有多家研发和生产CVD金刚石涂层刀具的公司如美国的sp、DiamondCoatingTool德国的Cemecon瑞士的Balzers日本的OSG等。我国逐渐成为了材料加工的超级大国对刀具的需求也是巨大的。但在CVD金刚石涂层技术方面还与国外存在较大的差距研究者们多年来一直围绕着就如何解决硬质合金衬底上沉积金刚石膜的质量和膜基附着力的问题展开了大量研究。本文综述了国内外在硬质合金衬底上沉积CVD金刚石膜的新工艺以及技术方面的改进并展望了我国在这一领域的发展方向。CVD金刚石涂层工艺研究自从年瑞典ASEA(AllmannaSvenskaElektriskaAktiebolaget)实验室的研究人员成功地制备出第一颗金刚石以来研究者致力于开发各种新型的金刚石刀具(如图所示)并且逐渐将金刚石的众多优异的性能应用到各个领域。在开发刀具的过程中最初是用昂贵的天然金刚石作为切割刀具。年GE公司成功地开发了金刚石烧结体(PCD)刀具替代了天然金刚石刀具随后大颗粒的单晶金刚石的合成为取代天然金刚石创造了条件而今CVD技术的发展将金刚石刀具领域从薄膜扩展到了厚膜涂层在市场的驱使下金刚石刀具也朝着强度高、寿命长、成本低的新型高性能材料转变。制备CVD金刚石涂层的方法化学气相沉积(CVD)法是在高温条件下使气态原料(如甲烷和氢气)分解生成碳原子或甲基原子团等活性粒子并在一定工艺条件下在衬底表面沉积金刚石膜的方法。根据激发等离子体形式的不同主要方法有:热丝化学气相沉积(HFCVDHotfilamentCVD)法、微波等离子体化学气相沉积(MPCVDMicrowaveplasmaCVD)法和直流电弧等离子体喷射(DCPJDirectcurrentarcplasmajet)法。目前制备金刚石涂层刀具的方法中热丝CVD法是最为成熟的具有设备造价低、可控性高等优点是目前工业应用中的主要方法国外刀具公司也开发出用于生产的沉积设备如sp公司开发的Model(目前已经有Model)热丝CVD涂层设备其装置中具有大的沉积面积能够高效率的进行产品输出另外Cemecon公司和DiamondCoatingTool公司也有先进的热丝CVD设备。微波等离子体CVD法相对于热丝CVD法有更多的优点微波激发的等离子体中减少了热丝高温中挥发引起的杂质这就使得金刚石的沉积质量较高但是微波法沉积速率较低沉积面积较小而且设备造价高在目前技术不够成熟的条件下无法进行工业化应用但微波法诸多的优点将会是未来市场的主角。直流等离子喷射法是目前沉积速率最快的方法其生长速率最高可达μmh该方法发展也比较完善目前我国的北京科技大学和河北科学院等单位已经开发并完善了该技术。硬质合金基底上Co的影响通常WCCo硬质合金主要是由难熔的金属化合物碳化钨和金属粘结相钴组成Co的存在使基体获得了良好的韧性和抗弯压强度。按照合金中Co含量的不同划分为不同型号:YG(所含钴的质量NaturalsinglecrystaldiamondtoolSyntheticsinglecrystaldiamondtoolPCDtoolCVDdiamondtoolElectroplateddiamondtool图金刚石刀具的分类FigClassificationofdiamondtool··第卷第卷分数为)、YG、YG、YG、YG、YG等。而Co的存在将影响金刚石沉积这是由于合金中的Co对碳有很高的固溶度这就大大减缓了金刚石的形核过程而Co和其他过渡金属一样在薄膜生长过程中具有促进金刚石转化为非金刚石碳(如石墨)的作用也将大大降低金刚石膜的附着力。金属粘结相Co的存在是研究的关键点之一若硬质合金中Co含量较低会有利于金刚石薄膜的沉积但是其韧性差将不能作为高强度的加工工具。高Co含量的合金刀具是极佳的刀具本体材料而Co对金刚石薄膜的不利因素又是其高性能难以发挥的瓶颈。因此这一矛盾也促使研究者们寻找各种方法来降低或消除Co的不利影响。最初研究者试图通过去除表面Co的方法来降低沉积的不利因素即对硬质合金表面进行预处理利用酸蚀法去除表面的Co这就有利于金刚石的形核。但沉积过程中衬底温度达到℃左右时内层的Co会随着浓度梯度扩散到表面与表层的金刚石发生反应生成非金刚石碳而影响薄膜的结合力。魏秋平等人对不同含Co量的硬质合金YG、YG、YG、YG进行了研究利用酸蚀法进行预处理后沉积金刚石薄膜发现中低Co含量(如YG)的硬质合金不仅能够较好的沉积金刚石薄膜也能够兼顾到硬质合金整体的韧性此类含Co量小的硬质合金也一直是研究的热点。改进工艺提高金刚石膜的沉积质量制备金刚石涂层刀具的一大关键技术是提高金刚石薄膜的质量这是与工艺和沉积参数(比如气源比例、衬底温度、工作气压、工作时间等)的控制紧密联系在一起的。由于沉积过程是在异质基底上进行的再加上Co对金刚石的刻蚀作用使得形核比较困难因此希望通过多种方法来增强金刚石的形核。表列出了几种增强硬质合金基底上金刚石形核密度的方法。金刚石薄膜生长过程中优化沉积参数也能提高金刚石的质量。通常沉积金刚石的气源是H和CH的混合气体而XMMeng等人在气源中添加了Ar气得到了更为光滑、致密的纳米金刚石膜由于Ar气的加入增加了电子密度以及促进H和CH的分解从而促进二次形核并提高金刚石的生长速率。另外沉积过程中有必要对良好的生长环境进行探索而且不同的设备其最佳的生长参数也是不同的。Sarangi等人利用热丝CVD法在硬质合金衬底上沉积金刚石薄膜研究了压强对生长的影响认为在适中的工作压强下能得到较好的表面形貌和强的附着力这也将更有利于提升其加工性能。另外改进工艺也是提高金刚石质量的有效方法。魏秋平等通过对设备的改进发现不同的进气方式(如图(a)所示)所沉积金刚石薄膜的质量也是有差别的认为进气方式直接影响基体周围气氛的组成、分布和密度对金刚石薄膜的形核密度、晶体形貌、生长织构有明显的影响。张湘辉等人则在基底添加了温度自动控制系统以保证恒定的衬底温度有助于金刚石膜的稳定生长发现YG合金上沉积出更加致密、平整的薄膜。工业应用中刀具的几何形状更为复杂这也加大了沉积的难度。谢鹏等人利用MPCVD法对PCB钻头进行沉积采用金属丝屏蔽(如图(b)所示)的方式成功克服了“尖端效应”带来的影响。而湖北省等离子体化学与新材料重点实验室也利用微波等离子体CVD法研究了甲烷浓度带来的影响并在低的甲烷浓度下小批量地生产了金刚石涂层刀片。因此只有不断地调整工艺和突破旧思维才能探索出更多新颖的“点子”来提高生产效率。提高膜基附着力的方法制备CVD金刚石涂层刀具的另一个关键就是要提高薄膜和衬底之间的附着力而影响其附着力的原因主要有两个:一是合金中金属Co的存在会促进金刚石转化为石墨二是由于金刚石薄膜和硬质合金衬底之间的热胖胀系数相差悬殊致使生长表几种硬质合金基底上增强CVD金刚石形核的方法TabbleVariousmethodsofimprovingCVDdiamondnucleationoncementedcarbideAuthorandtimeKamiyaSDaiMingjiangTernyakOMaYupingMethodofimprovingnucleationNegativebiasEvaporationCSputteringAlAlcoholalkalitwostepDiamondtypesNanocrystaldiamondfilmMicrodiamondfilmMicrodiamondfilmMicrodiamondfilmGrowthtechniqueMPCVDMPCVDHFCVDHFCVDNucleationdesitycm×~×吕继磊满卫东陈朋朱金凤吴飞飞:硬质合金CVD金刚石涂层最新进展··硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷结束后降至室温的过程中薄膜容易崩裂。因此各种提高附着力的方法也是以这两个为出发点的。合金衬底表面的净化和脱钴处理表面预处理工艺是沉积之前必不可少的这是由于合金表面存在着大量的污染物、吸附物以及氧化物这些杂质的存在将大大影响金刚石薄膜与衬底的直接接触。再者通过去除表面的Co将更有利于沉积金刚石通常进行预处理后能够有效增强膜的附着力。基底表面通过表面清洗、研磨、抛光等常用的方法以去除合金表面的各种杂质来提高形核率保持洁净的基底表面是获得高质量金刚石薄膜的前提。通过离子轰击、刻蚀、激光等处理则可以细化晶粒增大表面的粗糙度和膜基接触面积提高金刚石薄膜的附着力。也可以对表面进行酸碱处理显著粗化基体表面以改善金刚石膜的组织结构提高金刚石沉积质量和附着力。目前常见的预处理方式有:)研磨法即利用金刚石微粉或研磨膏对基体表面进行机械研磨通过增加表面缺陷密度和金刚石形核位置降低形核自由能以提高金刚石在基体表面的形核密度)超声波清洗法利用金刚石微粉的悬浮液(如乙醇、丙酮等)对基体表面进行超声处理能够较彻底的清洗基体表面并将金刚石微粉植入基底表面达到提高金刚石膜在基底表面的形核率的目的)水冲击法利用高压水对基底表面进行冲击减小表面的Co含量并提高表面粗糙度以增大金刚石沉积面积和形核密度)高能粒子法高能粒子束(等离子束、激光或偏压)对材料进行表面改性从而刻蚀表面的Co细化表面晶粒提高表面粗糙度提高金刚石的形核率及增强附着力)等离子刻蚀法利用等离子体与硬质合金基体中的WC、金属Co发生反应生成易挥发气体或钴的氢氧化物表面形成一定厚度的纯W层重碳化后能有效地减少膜中的残余应力、阻挡深层的钴向表面的扩散能够有效的提高形核率、增大沉积面积和膜基结合强度)两步浸蚀法用Murakami试剂和酸溶液先后处理表面能够有效去除表层的钴并能粗化合金表面改善金刚石膜的组织结构显著提高薄膜的附着力)醇碱两步法先用Murakami试剂处理然后在含金刚石微粉和丙酮的甲醇溶液中超声清洗去除表层的金属Co并粗化合金表面提高膜基结合力并能够应用于复杂形状的刀具上。但是目前众多脱钴处理的方法还是只能应用于低钴含量的硬质合金中而高钴含量的合金中达不到好的效果。添加过渡层提高薄膜的附着力各种去除表面Co的方法都不能完全消除Co给金刚石沉积过程中带来的不利影响这是由于各种方法只能暂时的消除表层的Co相而沉积过程中基片温度升高后内层的Co会随着浓度梯度再次扩散到表层与金刚石发生反应。而且金刚石与硬质合金基底之间的热膨胀系数存在较大的差异当降至室温时会存在较高的残余应力过高的残余应力会影响薄膜和基底的结合力甚至出现膜的脱落。因此单纯的消除合金表面Co的方法是无法提高附着力的。目前最为有效的方法就是在基底和薄膜之间添加过渡层如图所示过渡层与基底和薄膜都有很好的相容性添加过渡层后交界面之间会进行相图通过改进工艺来提高金刚石沉积质量:(a)进气方式(b)屏蔽“尖端效应”FigVariousmethodsofimprovingdiamondquality:(a)flowfield(b)shield"pointeffect"TungstenfilamentsDrillsHCHHCHHeatingwireSampleVacuumpumpVacuumpumpVacuumpump(a)(b)CHHCHHCHHCHHCHHCHH··第卷第卷互扩散通过选取与金刚石热膨胀系数相差较小的材料就既能有利的阻止合金中的钴扩散也能消除内部的热应力而另一个优势就是添加过渡层后能够在高Co含量的合金上沉积CVD金刚石薄膜有利于提升刀具整体的切削性能这也是目前最为有效的方法。添加过渡层的方法能够减小不利因素的影响但是过渡层材料的选择也必须满足一定的条件:)热膨胀系数介于金刚石膜和硬质合金基底之间且与金刚石膜较接近、具有较低的弹性模量这样才能减小热应力带来的影响能够保证附着力强度)能够保证金刚石在其上有很高的形核密度且与金刚石和衬底材料都有良好的结合性)能够与Co形成稳定的化合物来阻止高温下Co向表层和金刚石涂层的扩散作为保护层。表列出了国内外近几年来利用添加过渡层的方法来改善硬质合金表面沉积CVD金刚石薄膜的研究。制备过渡层的方法也包括很多种如涂覆法、电镀沉积法、化学镀层法、气相沉积法、磁控溅射法、等离子脱碳法和碳化等方法。起初过渡层主要为单一的材料组成比如Ti、W、Cr和Mo等这些元素能与Co形成稳定的化合物并与碳结合形成强的化学键有助于解决金刚石的附着力问题但是随着材料的加工难度变大单一的过渡层也无法完全克服所存在的问题从而多层或复合过渡层逐渐成为研究的热点。早在年sp公司就申请了关于在WCCo的合金表面通过添加WC过渡层来提高膜基附着力的专利这一过渡层既可以有效地减少薄膜中的残余应力又可以阻挡金刚石生长过程中钴向表面的扩散。XXiao等人在高Co含量硬质合金(WCCo)衬底上添加Cr过渡层来合成纳米金刚石膜认为Cr能够形成保护层来阻碍Co的扩散由于C在Cr中的扩散速率远远小于其他元素如Si、Ti等因此在较短的时间内薄膜沉积的速率快使得交界面的晶粒较为致密利于提高金刚石与衬底的附着力大大提升了对铝合金的加工效率。YSLi等人对Al、TiCN、AlTiCN过渡层的研究发现Ti能够有效的抑制金属Co的扩散而Al与C有良好的浸润性能够提高金刚石的形核并能有效的抑制Fe系元素促金刚石形成石墨的作用与其他金属相比Al的成本更低因此Al与其他金属的复合镀层将是主要的方向。国内湖南大学材料实验室则对Cu、Ti过渡层和CuTi复合镀层分别进行了研究认为Cu原子能够有效填充表面因Co被刻蚀后图添加过渡层后金刚石涂层刀具的结构图FigStructureofdiamondcoatingtoolafteraddingmiddlelayer表几种添加过渡层改善金刚石膜的沉积质量TableVariousmethodsofaddinginterlayertoimprovediamondqualityAuthorandtimeSarangiLiCabralGWeiHuangTaoLaiSubstratetypesWCCoWCCoWCCoWCCoWCCoWCCoWCCoInterlayerdepthμmμmμmμmμmμmNotclearμmInterlayertypesTiAlTiNSiCWCgradientlayerCuTiCoxSiβSiCWInterlayermethodssputteringIonsputteringHFCVDMagnetronsputteringMagnetronsputteringHFCVDUltrasonicGrowthtechniquesHFCVDMPCVDHFCVDHFCVDMPCVDHFCVDMPCVDStresstestandresultsHighpurityHighnucleationdensityandloadNHighnucleationspeedandlowlossincuttinggraphiteObtaininghighnucleationdensityandsmoothplanesGoodadhesionandloadNGoodtoughnessandadhesionloadNHardnessuptoGPaandgoodcrystallinity吕继磊满卫东陈朋朱金凤吴飞飞:硬质合金CVD金刚石涂层最新进展diffusionlayerDiamondfilmInterlayerWCCo··硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷引起的孔洞。而Ti能与C形成与金刚石结构相似的碳合物有利于金刚石的形核和提高膜基之间的附着力因此CuTi复合镀层结合两者的优点能够附着力和形核难的问题。目前通过添加过渡层的方法来制备CVD金刚石涂层刀具的研究还是存在一些的问题如过渡层的制备工艺比较繁琐通常不能直接完成过渡层的添加和金刚石薄膜的生长有时甚至用到多种工艺。而其他的方法如元素渗透和掺杂等方法都是为了提高硬质合金基体上金刚石形核密度、膜的质量及膜基附着力以使刀具的加工性能达到最佳。元素渗透法抑制Co的影响元素渗透法与过渡层法相比操作上更简单即在合金表面进行元素渗透如B、C、N、Ti、Cr等这些元素在生长过程中会向基底内层扩散并与Co形成稳定的化合物有效的抑制金属Co向外层扩散减小Co对生长的不利影响。硬质合金表面渗硼是最为有效的主要有固态渗硼和真空渗硼两类。固态渗硼是在基底表面添加含硼的渗剂然后放在电炉中进行加热和保温处理使含硼渗剂向基底内扩散与Co形成CoB、CoB、CoWB等稳定的氧化物有效消除了Co对金刚石沉积的不利因素。虽然固态渗硼法比较简单但是由于元素扩散速率不高导致渗透速率较低且渗硼的产物不易控制也可能导致机体金相的改变而大大限制了该方法的应用。真空渗硼法是将渗硼剂涂覆在硬质合金基底上真空下对衬底进行高温处理可有效改善工件表面的洁净度和渗硼速率提高金刚石涂层的质量和附着力。文献中将真空渗硼的方法与Murakami两步酸蚀法做了比较分别在不同含Co量的硬质合金刀具上进行了实验发现渗硼对金刚石形核密度的提高具有显著效果能够保证表面的光滑和加工性能并在低Co和高Co含量的硬质合金衬底都能良好的沉积金刚石薄膜而酸蚀法仅能应用于含Co量较低(小于)的合金上。在两种渗硼工艺的基础上发展起了更为简捷的动态掺硼工艺即在金刚石薄膜的生长过程中进行的硼的掺杂有利于抑制Co相并促进薄膜生长。姚成志等人利用HFCVD法在硬质合金衬底上研究了不同掺硼浓度对附着力的影响发现硼的掺入能够促进金刚石的形核适中的掺硼浓度(BC=×)可以有效的抑制表层Co的扩散减少非金刚石相的生成并使得金刚石涂层刀具具有极佳的膜基附着力和切屑性能。元素渗透的方法中还包括:等离子渗氮、碳氮共渗法、硼氮共渗法等。其目的都是为了提高硬质合金基体上金刚石形核密度、膜的质量、附着力等以使刀具的切屑性能达到最佳。多种类型CVD金刚石刀具材料CVD金刚石涂层刀具主要分为两类:即薄膜厚度小于μm的金刚石薄膜涂层刀具和厚度大于μm的金刚石厚膜焊接刀具。金刚石薄膜通常由多晶组成能够应用于几何形状复杂的刀具如丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片等。按照晶粒尺寸可分为微米晶金刚石(MCD)薄膜和纳米晶金刚石(NCD)薄膜。MCD涂层刀具对宏观尺度的工件进行加工是一把利器但若应用于微加工领域则无法达到其精度(膜厚达μm)。如果通过缩短生长时间来减小膜厚却不能形成较连续的薄膜使得刀具的刃口半径增大而钝化刀具对机械性能造成负面的影响。与微晶金刚膜比纳米晶金刚石膜的具有小的晶粒尺寸低的摩擦系数高的强度等优异的性能。通常表面粗糙度很大程度上决定了刀具的性能而薄膜的晶粒尺寸越大表面的粗糙度就越大。纳米晶金刚石膜表面有相对较低的粗糙度能够满足微纳米领域加工的要求并且不需要很大程度的抛光可以降低成本。另外纳米金刚石膜对铝有较高的化学稳定性因而是加工铝合金的最佳材料。而纳米金刚石膜表面光滑能降低刀具和工件之间的摩擦系数可以减少加工过程中产生的热量并能阻止铝材粘附到刀具表面从而提高加工效率。BShen等人则结合了微米金刚石膜和纳米金刚石膜的优异特性研制出了一种新的超光滑复合金刚石膜(USCD)其表面均匀光滑摩擦系数低强度大具有高的加工性能。USCD膜是在WCCo的硬质合金衬底上生长出一层细粒度的微晶金刚石膜和多层纳米金刚石膜经测试发现其摩擦系数非常低对球墨铸铁、铝合金和铜工件的摩擦系数分别为、、。而在水润滑的作用下则分别降至、、。新型的USCD薄膜具有极其光滑和均匀的表面又结合了纳米金刚石薄膜摩擦系数低强度大等优异特性具有很高的切屑效率。金刚石厚膜(TFD)焊接刀具则是首先通过CVD··第卷第卷技术沉积出一定厚度(一般可达几个毫米)的金刚石膜然后对这些金刚石厚膜进行切割成小块做成刀具材料所需要的形状再钎焊到硬质合金基体上做成刀具。但是通过钎焊的方法将金刚石膜与基体粘附起来膜基附着强度很低当间断切屑高强度的加工时其界面的粘附就显得很脆弱。若能解决附着力的问题金刚石厚膜焊接刀具将能取代天然金刚石刀具也将具有广阔的应用前景。CVD金刚石刀具的最新应用目前CVD金刚石涂层刀具国外很多公司已经推出产品了以硬质合金材料作为衬底将CVD金刚石膜涂覆到铣刀、钻头、刀片等刀具衬底上来增强刀具的加工性能并有效延长刀具的寿命。国内目前技术较为落后还处于研究阶段。日本OSG公司针对石墨加工领域开发了DG系列具有光滑表面的金刚石涂层铣刀实现了在形状复杂的刀具上沉积金刚石薄膜。普通刀具很难对碳纤维增强塑料(CFRP)进行钻孔而OSG公司研制出的金刚石涂层刀具能保证刀具锋利很好的解决了这一问题并能够应用到形状复杂的刀具上。其产品能够兼顾高的加工性能和长的使用寿命。同时能回收旧产品并再次进行涂层达到循环利用的目的大大节约了成本。早在十年前OSG公司就致力于开发在铣刀、钻头等合金基底上沉积CVD金刚石涂层刀具的产品及其相关技术其主要先进技术如下:)金刚石涂层的刻蚀及其再沉积刀具产品(如立铣刀、钻头)上进行涂覆金刚石膜有利于提升其耐磨、切屑性能并能有效延长刀具寿命但长时间的工作后金刚石涂层会被磨损甚至损坏导致刀具无法继续工作。由于金刚石具有极高的硬度普通的研磨法很难在不损坏基底表面的条件下完全去除金刚石涂层这一既耗时又存在很大风险(损坏合金基底)的工作被OSG公司解决了利用微波等离子体对基底进行加热然后通入氧气与金刚石发生反应来达到消除刀具表面金刚石的目的该方法能在短时间内有效的去除表面的金刚石涂层并且不损坏合金表面。随后通过对基底进行适当的预处理后利用微波等离子体CVD的方法在合金基底上再次沉积金刚石膜图是对铣刀进行去金刚石处理后和再次沉积金刚石的对比照片)晶粒细化金刚石的沉积过程中通常化学气相沉积法制备出的金刚石薄膜具有较大的晶粒尺寸这将会导致金刚石涂层表面的不平整使得刀具在加工过程中很难达到高光洁度、高效、高精度的要求。OSG公司通过对金刚石表面进行抛光来获得较低的表面粗糙度利用电弧离子镀设备在电极和阴极金属靶材之间引发电弧放电然后在电弧离子镀设备中对金刚石涂层施加负偏压金刚石膜表面将会受到金属离子轰击从而细化表面晶粒获得的光滑表面来降低粗糙度图看出金刚石经处理后晶粒尺寸得到了很好的细化其表面更为平整、致密)涂层附着力好且抗氧化性强附着力的好坏直接影响到刀具的加工性能和刀具的使用寿命因此OSG在这一关键点上也做出了众多的改进采用了掺硼的方法添加过渡层(TiAlN、CrAlN、VAlN等)的方法也通过对金刚石涂层钻头的结构进行优化即改变刀具刃口形状和膜的厚度或者通过提高金刚石涂层的韧性来提高附着力通过测试发现其金刚石涂层钻头对硅铝合金具有极佳的加工效率如图所示。由于金刚石在高温下加工铁系材料和耐热材料(钛合金)会被氧化而降低其切割效图去除金刚石后(a)和再涂覆(b)的对比照片FigPhotosofcuttingtools(a)afterremovedand(b)recoateddiamond(a)(b)吕继磊满卫东陈朋朱金凤吴飞飞:硬质合金CVD金刚石涂层最新进展··硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷率OSG公司则通过对涂层结构进行改进首先在钻头上进行掺硼金刚石膜的沉积然后再利用PVD法镀一层金属化合物(如TiAlN等)在保证金刚石加工强度的前提下有效的提高了刀具的抗氧化性能延长了刀具的寿命并扩大刀具的应用领域)具有光滑表面的细晶(Finecrystal)和超细晶(Ultrafinecrystal)金刚石涂层产品。OSG公司另一大独享技术就是能够制备出具有光滑表面的金刚石涂层刀具。抛光技术用于金刚石表面晶粒的细化通常能够获得光滑的表面但是对于几何形状复杂的刀具材料将会限制其应用OSG公司沉积金刚石薄膜的过程中通过控制二次形核条件能够得到晶粒尺寸较小的微结晶金刚石涂层立铣刀(图(a)、(b))其刀具表面粗糙度很小与普通金刚石涂层相比较具有更高的加工精度和耐磨、耐用性能是加工硅铝材料的利器。该公司推出的超细晶金刚石涂层(UFCD)刀具(如丝锥、钻头和立铣刀等)则具有更高的抗粘着性、高的加工精度和耐用性对加工硅铝和合金和铜合金等新型难加工材料的效率高。OSG公司也是唯一一家能够制备出高加工性能的UFCD刀具(如图(c)、(d))的公司且具备可回收再利用的优势。结束语虽然CVD涂层刀具在国外已经被广泛应用到了实际生产当中但是我国的技术还比较落后无法进行批量生产必须加大研发力度减少国内在精密加工领域对国外的技术依赖。随着我国发展重心由传统的粗放型加工向高效集约化转变精密加工和二次加工将会是未来发展的重点。CVD金刚石薄膜替代天然金刚石能够降低生产成本并能应用于几何形状复杂的刀具其诸多的优势将会是未来我国发展的重点也将会是刀具行业突破的重心以下是图金刚石晶粒细化前(a)后(b)的表面形貌FigSurfacemorphologiesofdiamondgrain(a)beforeand(b)afterrefining(a)(b)图金刚石涂层刀具与无涂层的刀具性能对比FigComparisonbetweendiamondcoatedtoolsanduncoatedtoolsCuttinglengthmDiamondcoateddrillHoleexpansionμmCuttinglengthmUncoateddrillUncoatedDiamondcoated··第卷第卷几点对CVD金刚石涂层刀具的展望:)CVD金刚石薄膜与硬质合金基底的附着力还需进一步提高这就要求在选取过渡层的过程中不能仅针对热膨胀系数的匹配来进行选取也要考虑过渡层元素能否与金刚石有较好的结合力甚至可以通过复合层或多层过渡层来提高附着力)对硬质合金基底本身进行优化合金表面晶粒尺寸做到更小更为致密将有利于增大接触面积增强膜基附着力或者通过改进合金结构如内层到表层的含Co量由多到少的梯度变化将有利于消除Co对生长产生的不利因素)CVD金刚石涂层刀具在保证强度的前提下向小型刀具方向发展未来微米纳米材料将会逐渐增多这也要求刀具发展必然往小尺寸高强度等新型多功能刀具方向发展。参考文献REFERENCES满卫东翁俊吴宇琼等MPCVD法在基片边缘生长大颗粒金刚石的研究J人工晶体学报():ManWeidongWongJunWuYuqiongetalStudyongrowthoflargesizeddiamondatthesubstrateedgebyMPCVDJJournalofSyntheticCrystals():赵志岩邓福铭卢学军等CVD金刚石涂层刀具研究与应用前景J硬质合金():ZhaoZhiyanDengFumingLuXuejunetalProgressintheresearchandapplicationprospectofCVDdiamondcoatingtoolsJCementedCarbide():吕反修宋建华唐伟忠等金刚石膜涂层硬质合金工具研究进展及产业化前景J热处理():LvFanxiuSongJianhuaTangWeizhongetalProgressontheRDofdiamondfilmcoatedtoolsanditsindustrializationprospectJHeatTreatment():OhtakeNYoshikawaMDiamondfilmpreparationbyarcdischargeplasmajetchemicalvapordepositioninthemethaneatmosphereJJournaloftheElectrochemicalSociety():图(a)普通金刚石涂层与(b)细晶金刚石涂层表面形貌及加工硅铝合金后立铣刀刃口的表面形貌(c)超细晶金刚石和(d)普通金刚石涂层FigAppearanceofdiamondcoatedtool:(a)normaldiamondcoating(b)finecrystalcoatingandEndmilledgeappearanceaftercuttingSiAlalloy(c)ultrafinecrystaldiamondcoatedand(d)normaldiamondcoated(a)(b)(c)(d)μmμm吕继磊满卫东陈朋朱金凤吴飞飞:硬质合金CVD金刚石涂层最新进展··硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金第卷王双喜牛仕超余晋彬等金刚石刀具与刃磨技术研究现状J工具技术():WangShuangxiNiuShichaoYuJinbinetalRenewofgrindingtechnologiesandequipmentsfordiamondcuttingtoolsJToolEngineering():赵志岩邓福铭卢学军等CVD金刚石刀具的研究进展与应用现状J工程技术():ZhaoZhiyanDengFumingLuXuejunetalResearchdevelopmentandapplicationstatusofchemicalvapordepositiondiamondtoolsJToolEngineering():魏秋平余志明马莉等化学脱钻对硬质合金沉积金刚石薄膜的影响J中国有色金属学报():WeiQiupingYuZhimingMaLietalEffectsofchemicalsurfacepretreatmentsoncementedtungstencarbidesubstrateJTheChineseJournalofNonferrousMetals():KamiyaSYoshidaNTamuraYetaQuantitativemeasurementfortheeffectofenhancednucleationontheadhesivestrengthofdiamondcoatingsJSurfaceandCoatingsTechnology:代明江余忠民蒸镀C对YG硬质合金刀片上金刚石形核的影响J硬质合金():DaiMingjiangYuZhongmingEffectofpredepositionCfilmondiamondnucleationontocementedcarbidesubstrateJCementedCarbide():TernyakOAkhvledianiRHoffmanAStudyondiamondfilmswithultrahighnucleationdensitydepositedontoaluminasapphireandquartzJDiamondandRelatedMaterials():马玉平陈明孙方宏CVD金刚石涂层硬质合金衬底预处理新方法研究J金刚石与磨料磨具工程():MaYupingChenMingSunFanghongAnewpretreatmentmethodforWCCosubstrateforCVDdepositionJDiamondandAbrasivesEngineering():MengXMAskariSJTangWZetalNanocrystallineCVDdimondfilmsdepositedoncementedcarbideusinghighcurrentextendedDCarcplasmaprocessJVacuum():HamYSKimYKLeeJYEffectsofargonandoxygentotheCHHfeedgasondiamondsynthesisbymicrowaveplasmaenhancedchemicalvapordepositionJTheSolidFilms():SarangiSKChattopadhyayAChattopadhyayAKEffectofpretreatmentmethodsandchamberpressureonmorphologyqualityandadhesionofHFCVDdiamondcoatingoncementedcarbideinsertsJAppliedSurfaceScience():魏秋平王玲余志明等进气方式对热丝CVD制备金刚石薄膜的影响J中国表面工程():WeiQiupingWangLingYuZhimingEffectofreactinggasadmissionwayonFHCVDdiamondfilmsJChinaSurfaceEngineering():张湘辉汪灵龙剑平直流弧光放电PCVD金刚石膜制备中基底控温系统的研制与应用J人工晶体学报():ZhangXianghuiWangLingLongJianpingDesignandapplicationofsubstratetemperaturecontrolsysteminDCArcDischargePCVDdiamondfilmsdeviceJJ

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