硬質(zhì)合金刀具的類金剛石涂層的研究進(jìn)展

趙佳群

摘 要：硬質(zhì)合金刀具在發(fā)達(dá)國家刀具類型中占主導(dǎo)地位，同時，硬質(zhì)合金切削刀具在我國也已經(jīng)成為加工企業(yè)所需的主力刀具，隨著硬質(zhì)合金刀具市場需求的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用于刀具表面的涂層技術(shù)也迅速發(fā)展，類金剛石涂層的出現(xiàn)為涂層刀具開啟了新的篇章。該文旨在回顧類金剛石涂層的發(fā)展史并分析其研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金 類金剛石涂層 膜基結(jié)合力 熱穩(wěn)定性

中圖分類號：TG711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0056-02

硬質(zhì)合金刀具因其具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展中起到重要的作用。隨著各種切削技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金涂層刀具并不能滿足現(xiàn)在市場的需求，涂層刀具需要創(chuàng)新。類金剛石涂層的出現(xiàn)為硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

1 類金剛石涂層概述

類金剛石涂層是一種在微觀結(jié)構(gòu)上含有金剛石成分的涂層。構(gòu)成類金剛石的元素為碳。碳原子和碳原子之間的不同結(jié)合方式，使其最終產(chǎn)生的物質(zhì)也不同，如在金剛石中碳原子與碳原子之間是以sp3鍵的形式結(jié)合的，在石墨中碳原子與碳原子之間是以sp2鍵的形式結(jié)合的，而在類金剛石中碳原子與碳原子之間則是以sp3和sp2鍵的形式結(jié)合的。類金剛石涂層由于含有金剛石成分，具有硬度高（能達(dá)到-60 GPa或Hv6000以上）；摩擦系數(shù)低（-0.06）；膜層致密性極好；化學(xué)穩(wěn)定性好以及光學(xué)性能好等很多優(yōu)良的性能。因此，類金剛石涂層作為一種理想的涂層材料廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具，成為現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的新生力量。

2 類金剛石涂層的發(fā)展歷程

類金剛石薄膜的問世始于20世紀(jì)70年代，由德國科學(xué)家Sol和Ronald在室溫下采用離子束沉積法將單價的碳離子沉積在基體上制成。我國科學(xué)家林錫剛等人在1984年采用低能離子束沉積技術(shù)制成類金剛石薄膜，并對其力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能進(jìn)行了初步測試。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，類金剛石薄膜的制備方法也不斷進(jìn)步。

2.1 物理氣相沉積法

物理氣相沉積是在真空狀態(tài)下，將被沉積元素變成原子進(jìn)行氣相沉積。用于制備類金剛石薄膜的物理氣相沉積法包括經(jīng)典的離子束沉積法（通過等離子體濺射石墨靶產(chǎn)生碳離子，經(jīng)電磁場的加速作用沉積在基體表面）、新興的直流磁控濺射技術(shù)（電子在磁場的作用下將Ar原子變成Ar離子，轟擊石墨靶面，濺射出的碳原子在基體表面形成膜）、射頻濺射技術(shù)（電子在射頻振蕩的作用下將Ar原子變成Ar離子，轟擊石墨靶面，濺射出的碳原子在基體表面形成膜）以及脈沖激光沉積法（在真空條件下，利用脈沖激光束使石墨靶釋放碳離子，在基體表面沉積成膜）。

2.2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積是在熱能、光能或等離子體等各種能源的作用下，通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)形成固態(tài)沉積物。用于制備類金剛石薄膜的化學(xué)氣相沉積法包括直流輝光放電效應(yīng)（碳?xì)錃怏w在直流輝光的作用下分解形成等離子體，與基體表面相互作用形成膜）、射頻輝光放電法（碳?xì)錃怏w在射頻輝光放電下分解形成等離子體沉積在基體表面形成膜）、微波-射頻法（采用微波等離子體形成膜）以及等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法。

2.3 液相電化學(xué)沉積法

液相電化學(xué)沉積技術(shù)不同于前兩種方法，它在高電壓作用下，將含有碳元素的有機(jī)溶劑中的分子進(jìn)行非常復(fù)雜的分解，最終在基體表面形成碳膜。液相電化學(xué)沉積法制作類金剛石涂層不但對設(shè)備要求簡單、成本不高、原料來源廣，而且很大程度上提高了涂層薄膜的質(zhì)量。

從最初的離子束沉積技術(shù)到后來的等離子體輝光放電法、化學(xué)氣相沉積法以及液相電化學(xué)沉積法等對制備類金剛石薄膜有了更深入的認(rèn)識，并且在探索新的制備技術(shù)過程中對類金剛石涂層的性能不斷測試，發(fā)現(xiàn)類金剛石薄膜在更多領(lǐng)域包括機(jī)械工業(yè)、空間、光學(xué)、微電子、醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域的應(yīng)用潛能，也由此對類金剛石涂層的進(jìn)一步研究提出了更高的要求。

3 硬質(zhì)合金刀具的類金剛石涂層存在的問題與解決措施

隨著硬質(zhì)合金刀具市場的不斷擴(kuò)大，類金剛石涂層薄膜與基體之間結(jié)合力差，薄膜熱穩(wěn)定性差等問題日益凸顯。

3.1 膜基結(jié)合力差

經(jīng)過對類金剛石涂層制備過程的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基體表面薄膜的厚度大于或等于1 μm時，薄膜會發(fā)生脫落，這與膜體-基底之間熱膨脹系數(shù)不匹配有關(guān)。因此，如何改善膜基結(jié)合力，提高薄膜穩(wěn)定性引起業(yè)內(nèi)人士廣泛關(guān)注。

3.1.1選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)

薄膜與基體之間結(jié)合力的大小與沉積方法及沉積工藝參數(shù)有關(guān)，因此選擇合適的沉積壓力、偏壓等參數(shù)，有助于提高膜體與基體之間的結(jié)合力，并延長類金剛石膜層的使用時間。

3.1.2改善基體狀態(tài)

當(dāng)基體表面存在缺陷時，會影響膜與基體之間的結(jié)合，對此可以利用超聲波、金剛石研磨等機(jī)械方法來清洗刀具基體，清除表面污染物及氧化物；另外，采用化學(xué)酸蝕方法，能夠去除刀具基體表面的鈷，并能粗化基體，增加膜基接觸面積，提高膜基結(jié)合力。

3.1.3添加過渡層

膜基之間熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致結(jié)合力差，有研究者認(rèn)為可以在類金剛石膜和硬質(zhì)合金刀具之間添加另外一種材料，但是鑒于薄膜厚度不能超過1 μm，所以可以在刀具基體表面涂抹一層與硬質(zhì)合金基體熱膨脹系數(shù)相匹配的涂層如Ti和Si等作為過渡層來改善類金剛石碳膜與基體結(jié)合強(qiáng)度，提高膜基結(jié)合力。

3.2 熱穩(wěn)定性差

由于類金剛石涂層的機(jī)械性能由sp3鍵決定，而電學(xué)和光學(xué)性能由sp2鍵決定，高溫條件可以促使sp3鍵轉(zhuǎn)化為sp2鍵，從而使薄膜的機(jī)械性能降低，電學(xué)和光學(xué)性能增強(qiáng)，不利于薄膜的穩(wěn)定。類金剛石涂層可以分為含氫及無氫兩種類型，有研究表明，在制備含氫類金剛石涂層薄膜過程中，若退火溫度低于400 ℃時，膜結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)定，當(dāng)溫度超過400 ℃時就會導(dǎo)致sp3鍵轉(zhuǎn)化為sp2鍵，使得晶體結(jié)構(gòu)向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，所以，高溫可以造成薄膜結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，耐熱性差。在含氫類金剛石涂層制備中加入Si等雜質(zhì)元素，可以改變sp2鍵及sp3鍵的成鍵方式，增加類金剛石涂層的熱穩(wěn)定性。同樣，無氫類金剛石涂層薄膜的熱穩(wěn)定性大小也與sp3含量有關(guān)，隨著sp3含量降低熱穩(wěn)定性變小。另外，薄膜厚度增加可以使sp3鍵含量也增加，從而提高熱穩(wěn)定性。還有研究發(fā)現(xiàn)，采用液相法制成的類金剛石涂層熱穩(wěn)定性極高，有效地解決了這一問題。

4 結(jié)語

隨著硬質(zhì)合金刀具市場的不斷擴(kuò)大，刀具涂層技術(shù)不斷進(jìn)步，類金剛石薄膜制備方法越來越多，包括物理氣相沉積技術(shù)、化學(xué)氣相沉積技術(shù)以及新興的液相電沉積技術(shù)等。同時，我們也看到了類金剛石薄膜存在著膜基結(jié)合力差、熱穩(wěn)定性差等缺陷。經(jīng)過對類金剛石涂層不斷地研究，發(fā)現(xiàn)可以通過選擇合適的工藝參數(shù)、改善基體狀態(tài)、添加過渡層來增加膜基結(jié)合力。并且近年來的研究表明在含氫類金剛石涂層制備中加入Si等雜質(zhì)元素、采用液相法制作類金剛石涂層熱穩(wěn)定性極高，可以有效地解決熱穩(wěn)定性差的問題。總之，硬質(zhì)合金刀具表面類金剛石涂層技術(shù)日趨成熟，隨著研究的不斷深入，未來可以制備出更好的類金剛石薄膜。

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