硬質合金刀具的類金剛石涂層的研究進展

趙佳群

摘 要：硬質合金刀具在發達國家刀具類型中占主導地位，同時，硬質合金切削刀具在我國也已經成為加工企業所需的主力刀具，隨著硬質合金刀具市場需求的不斷擴大，應用于刀具表面的涂層技術也迅速發展，類金剛石涂層的出現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展史并分析其研究現狀。

關鍵詞：硬質合金 類金剛石涂層 膜基結合力 熱穩定性

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

硬質合金刀具因其具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等優良性能，在現代機械加工業的發展中起到重要的作用。隨著各種切削技術的進步，傳統的硬質合金涂層刀具并不能滿足現在市場的需求，涂層刀具需要創新。類金剛石涂層的出現為硬質合金刀具的發展提供了新的契機。

1 類金剛石涂層概述

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

2 類金剛石涂層的發展歷程

類金剛石薄膜的問世始于20世紀70年代，由德國科學家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。我國科學家林錫剛等人在1984年采用低能離子束沉積技術制成類金剛石薄膜，并對其力學、電學、光學性能進行了初步測試。隨著現代科學技術的發展，類金剛石薄膜的制備方法也不斷進步。

2.1 物理氣相沉積法

物理氣相沉積是在真空狀態下，將被沉積元素變成原子進行氣相沉積。用于制備類金剛石薄膜的物理氣相沉積法包括經典的離子束沉積法（通過等離子體濺射石墨靶產生碳離子，經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（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（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 化學氣相沉積法

化學氣相沉積是在熱能、光能或等離子體等各種能源的作用下，通過發生化學反應，使蒸汽狀態的化學物質形成固態沉積物。用于制備類金剛石薄膜的化學氣相沉積法包括直流輝光放電效應（碳氫氣體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（碳氫氣體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）以及等離子體增強化學氣相沉積法。

2.3 液相電化學沉積法

液相電化學沉積技術不同于前兩種方法，它在高電壓作用下，將含有碳元素的有機溶劑中的分子進行非常復雜的分解，最終在基體表面形成碳膜。液相電化學沉積法制作類金剛石涂層不但對設備要求簡單、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量。

從最初的離子束沉積技術到后來的等離子體輝光放電法、化學氣相沉積法以及液相電化學沉積法等對制備類金剛石薄膜有了更深入的認識，并且在探索新的制備技術過程中對類金剛石涂層的性能不斷測試，發現類金剛石薄膜在更多領域包括機械工業、空間、光學、微電子、醫學等各領域的應用潛能，也由此對類金剛石涂層的進一步研究提出了更高的要求。

3 硬質合金刀具的類金剛石涂層存在的問題與解決措施

隨著硬質合金刀具市場的不斷擴大，類金剛石涂層薄膜與基體之間結合力差，薄膜熱穩定性差等問題日益凸顯。

3.1 膜基結合力差

經過對類金剛石涂層制備過程的分析發現，當基體表面薄膜的厚度大于或等于1 μm時，薄膜會發生脫落，這與膜體-基底之間熱膨脹系數不匹配有關。因此，如何改善膜基結合力，提高薄膜穩定性引起業內人士廣泛關注。

3.1.1選擇適當的工藝參數

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

3.1.2改善基體狀態

當基體表面存在缺陷時，會影響膜與基體之間的結合，對此可以利用超聲波、金剛石研磨等機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，提高膜基結合力。

3.1.3添加過渡層

膜基之間熱膨脹系數不匹配導致結合力差，有研究者認為可以在類金剛石膜和硬質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合金基體熱膨脹系數相匹配的涂層如Ti和Si等作為過渡層來改善類金剛石碳膜與基體結合強度，提高膜基結合力。

3.2 熱穩定性差

由于類金剛石涂層的機械性能由sp3鍵決定，而電學和光學性能由sp2鍵決定，高溫條件可以促使sp3鍵轉化為sp2鍵，從而使薄膜的機械性能降低，電學和光學性能增強，不利于薄膜的穩定。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，膜結構可以保持穩定，當溫度超過400 ℃時就會導致sp3鍵轉化為sp2鍵，使得晶體結構向石墨結構轉化，所以，高溫可以造成薄膜結構不穩定，耐熱性差。在含氫類金剛石涂層制備中加入Si等雜質元素，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定性。同樣，無氫類金剛石涂層薄膜的熱穩定性大小也與sp3含量有關，隨著sp3含量降低熱穩定性變小。另外，薄膜厚度增加可以使sp3鍵含量也增加，從而提高熱穩定性。還有研究發現，采用液相法制成的類金剛石涂層熱穩定性極高，有效地解決了這一問題。

4 結語

隨著硬質合金刀具市場的不斷擴大，刀具涂層技術不斷進步，類金剛石薄膜制備方法越來越多，包括物理氣相沉積技術、化學氣相沉積技術以及新興的液相電沉積技術等。同時，我們也看到了類金剛石薄膜存在著膜基結合力差、熱穩定性差等缺陷。經過對類金剛石涂層不斷地研究，發現可以通過選擇合適的工藝參數、改善基體狀態、添加過渡層來增加膜基結合力。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等雜質元素、采用液相法制作類金剛石涂層熱穩定性極高，可以有效地解決熱穩定性差的問題?？傊?，硬質合金刀具表面類金剛石涂層技術日趨成熟，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。

參考文獻

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