孕鑲金剛石硬質(zhì)合金基底上沉積金剛石涂層工藝研究

簡小剛， 黃 卓

(同濟(jì)大學(xué)， 上海 201804)

金剛石涂層兼具金剛石和薄膜材料的特性，應(yīng)用在硬質(zhì)合金工具上時，既能表現(xiàn)出金剛石的高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性，又能表現(xiàn)出硬質(zhì)合金基體良好的抗沖擊性和強(qiáng)韌性，顯著提高其綜合性能和使用壽命，因而具有極其廣闊的應(yīng)用前景。而阻礙其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，在于涂層和基底的熱膨脹系數(shù)不同，膜基界面結(jié)合強(qiáng)度較差，涂層易脫落。

粉末冶金孕鑲金剛石鉆頭的胎體里，均勻包鑲有金剛石顆粒，其在成分上與金剛石涂層相同，在化學(xué)氣相沉積金剛石的過程中可以實(shí)現(xiàn)同質(zhì)外延生長。另一方面，金剛石顆粒與鉆頭胎體之間的包嵌力，大于硬質(zhì)合金基底和金剛石涂層之間的結(jié)合力。因此，孕鑲金剛石基底同金剛石涂層的膜基界面結(jié)合強(qiáng)度，在理論上有很大的提升空間。

基于此，我們擬在粉末冶金孕鑲金剛石鉆頭基底上制備金剛石涂層，既解決基底和涂層之間膜基界面結(jié)合力差的問題，又提高鉆頭的耐磨性。但是，在現(xiàn)有的研究成果中，鮮有關(guān)于在粉末冶金孕鑲金剛石基底上沉積金剛石涂層的討論。我們借鑒在硬質(zhì)合金基底進(jìn)行金剛石涂層的沉積技術(shù)，在粉末冶金孕鑲金剛石基底上進(jìn)行CVD金剛石涂層沉積實(shí)驗(yàn)，分析比較其最終的力學(xué)性能，以驗(yàn)證其可行性。

1 基底預(yù)處理

以市售的YG6硬質(zhì)合金棒以及粉末冶金孕鑲金剛石片為沉積基底，其直徑為12 mm，厚度為2 mm。為準(zhǔn)確標(biāo)定硬質(zhì)合金棒以及孕鑲金剛石基底的材料成分種類，我們對未沉積涂層的基底表面做EDS測試，在圓形試樣表面按照圓周方向均勻取5個測試點(diǎn)，分析其成分組成，其平均結(jié)果如表1所示。

表1 孕鑲金剛石基底與硬質(zhì)合金基底的成分對比

由表1中可以看出：相比于硬質(zhì)合金，孕鑲金剛石中含有一些其他的成分，如Cu、Si等，在化學(xué)氣相沉積過程中，這些元素有利于金剛石涂層的生長。

使用掃描電鏡觀察孕鑲金剛石基底的微觀形貌(圖1)，以備后續(xù)對比分析。

圖1 孕鑲金剛石基底的微觀形貌

對2種基底進(jìn)行預(yù)處理，依次包括機(jī)械拋光、酸處理、純水超聲震蕩處理、乙醇超聲處理，然后風(fēng)干、備用[4-9]。機(jī)械拋光處理能夠降低金剛石襯底表面的粗糙度，減少位錯，提供良好的金剛石晶面；酸處理能夠去除襯底表面的雜質(zhì)，為金剛石生長提供更好的環(huán)境，使外延生長更加平整[10-12]。預(yù)處理的流程如圖2所示，處理后2種基底的表面微觀形貌如圖3所示。

圖2 酸蝕預(yù)處理流程圖

(a)預(yù)處理后的硬質(zhì)合金表面形貌

(b)預(yù)處理后的孕鑲金剛石表面形貌

預(yù)處理酸洗方法只能暫時消除表層的Co，而沉積過程中孕鑲金剛石片溫度升高后，內(nèi)層的Co會沿濃度梯度再次擴(kuò)散到表層與金剛石發(fā)生反應(yīng)。為消除Co給金剛石沉積過程帶來的不利影響，沉積前處理還包括氫等離子體刻蝕，利用氫氣與金屬鈷發(fā)生反應(yīng)生成易揮發(fā)的鈷的氫化物，進(jìn)一步去除Co的影響。

2 沉積實(shí)驗(yàn)

使用HF650型熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)設(shè)備進(jìn)行金剛石涂層的沉積，該設(shè)備的真空系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。用預(yù)處理后的基底進(jìn)行化學(xué)氣相沉積實(shí)驗(yàn)，沉積實(shí)驗(yàn)過程中的工藝參數(shù)[13-14]如下(氣體流量均以標(biāo)準(zhǔn)狀況計(jì)算)：甲烷流量3 cm3/min、氫氣流量200 cm3/min、基底溫度830 ℃、沉積氣壓12 kPa、沉積時間6 h。

圖4 HFCVD裝置真空系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在2種基底上，采用HFCVD方法得到的涂層表面形貌如圖5所示。由圖5可以看出：相同實(shí)驗(yàn)條件下，相比于硬質(zhì)合金基底上的涂層，孕鑲金剛石基底上的形核率更高、表面更平整、晶粒大小更均勻。

(a)硬質(zhì)合金基底上沉積金剛石的形貌

(b)孕鑲金剛石基底上沉積金剛石的形貌

為測試2種基底上沉積出的金剛石涂層的質(zhì)量以及涂層內(nèi)應(yīng)力的大小，使用拉曼光譜儀進(jìn)行檢測，其結(jié)果分別如圖6、圖7所示。內(nèi)應(yīng)力計(jì)算公式為：

σ=P(υ-υ0)

(1)

式中：σ為內(nèi)應(yīng)力大??；P為常數(shù)，取-0.567 GPa；υ0=1332 cm-1，υ為拉曼光譜中的測量峰位置。

圖6 硬質(zhì)合金基底上金剛石涂層的拉曼光譜

從圖6中可以看出：硬質(zhì)合金基底上沉積的涂層，其在1 334.07 cm-1處的金剛石峰比天然金剛石的特征峰(1 332 cm-1)向右偏移，說明涂層中存在壓應(yīng)力。而根據(jù)公式(1)計(jì)算得到應(yīng)力大小為1.17 GPa；另一方面，G峰(1 580 cm-1)的存在也說明了金剛石涂層不純，含有結(jié)晶不良的石墨和非晶碳成分。

圖7 孕鑲金剛石基底上金剛石涂層的拉曼光譜

從圖7中可以看出：孕鑲金剛石基底上沉積的涂層，其金剛石特征峰在1 333.333 cm-1處，比天然金剛石的特征峰有輕微偏移，通過公式(1)，計(jì)算得到應(yīng)力大小為0.76 GPa；另一方面，其金剛石特征峰比較尖銳，且沒有明顯的G峰，說明涂層中金剛石純度較高、涂層質(zhì)量較好。

在2種涂層表面分別施加1470 N的壓力，然后用SEM觀察涂層表面的微觀形貌，其結(jié)果如圖8所示。

(a)硬質(zhì)合金基底上的涂層壓痕(b)孕鑲金剛石基底上的涂層壓痕圖8 金剛石涂層壓痕圖

由圖8可以看出：硬質(zhì)合金基底上的金剛石涂層，其壓坑周圍存在明顯的涂層剝落現(xiàn)象；孕鑲金剛石基底上的金剛石涂層，其壓坑周圍沒有出現(xiàn)涂層剝落現(xiàn)象，金剛石顆粒完整。這說明孕鑲金剛石基底與金剛石涂層的結(jié)合力優(yōu)于硬質(zhì)合金基底與金剛石涂層的結(jié)合力。

4 結(jié)論

在相同沉積條件下，分別在硬質(zhì)合金基底和孕鑲金剛石基底的表面上沉積金剛石涂層，并進(jìn)行掃描觀測和壓痕實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)：

在相同工藝條件下，在孕鑲金剛石基底上可以沉積出質(zhì)量更高的金剛石涂層，其金剛石形核率高、晶形大小均勻、涂層表面平整，且膜基界面的結(jié)合力更高。

此發(fā)現(xiàn)將有助于提高金剛石涂層的應(yīng)用范圍，并極大提高鉆頭的壽命，降低使用成本。

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