金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面物理\化学预处理分述
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作者: 张洋
摘要：金刚石薄膜是人类发现的一种超硬涂层材料，具有许多优点，硬质合金基体表面如果没有预处理，是很难使金刚石沉积的，本文在简单介绍金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具发展概况，以及对其表面预处理的意义后，着重分述了金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面物理、化学预处理的方法。
关键词：金刚石薄膜；镀膜硬质合金刀具；表面预处理
金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具在各个领域都有广泛的应用，但金刚石薄膜与硬质合金刀具间的结合强度比较低，这大大影响了刀具的正常使用，成为金刚石薄膜涂层刀具发展的最大障碍，因此，积极的研究金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面预处理的方法具有十分重要的意义。
一、金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具发展概况及其表面预处理意义
金刚石薄膜是一种超硬涂层材料，拥有硬度高、热导率高、摩擦系数低、化学稳定性好等有点，是上个世界80年代发展起来的一种理想工具材料。硬质合金刀具材料是目前研究和应用最多的一种最有前途的金刚石涂层刀具基体，具有良好的韧性，可用以加工各种复杂的刀具。
硬质合金刀具中存在对一种名叫钴的物质，它对金刚石薄膜的形成有不利的影响，所以要对刀具进行表面预处理，减弱钴对金刚石薄膜形核及其生长的消极影响，减少非晶碳或石墨的产生，增加刀具与反应气源间的接触面积，从而提高硬质合金刀具的表面活性，缩小刀具与薄膜间的热膨胀系数和晶格失配度的差异，推动金刚石薄膜的成核和成长，增强硬质合金刀具与金刚石薄膜间的结合强度，最终达到改善金刚石薄膜质量的目的。金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面预处理方法大体上有物理和化学两种。
二、金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面物理预处理
金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面物理预处理的方法主要有以下几种：
1、机械研磨预处理方法
利用金刚石研磨膏或金刚石微份在衬底表面进行研磨，生成含有金刚石微粉的溶液并用其对衬底表面进行超声波处理，或者利用化学腐蚀方法使衬底表面形成蚀坑的技术就是金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面机械研磨预处理方法。这种方法之所以能够促进金刚石形核的生成和成长是因为金刚石微粉在研磨衬底表面后，基体表面形成了许多缺陷，这些缺陷刚好为金刚石形核的生成提供了形核功。同时研究还发现，随着研磨时间的增长，晶粒形核率就越高，但若要形成大晶粒，则要缩短研磨时间，而且金刚石粉末的粒度越大，那么最后得到的金刚石薄膜表面就越粗糙，场致发射的效果就越好。
2、等离子体刻蚀方法
当金刚石薄膜在气相中生长时，因为原子氢具有较强活性，它会对Si等衬底表面有很强的刻蚀作用，使得在短时间内，衬底表面在短时间内刻蚀出许多凹坏型的微蚀坑，且这些蚀坑的量级为纳米量级，实验发现这些微蚀坑对于金刚石成核有破坏的租用，如果在浸蚀去钴后，在氢气中，用等离子体对刀具基体表面进行原位脱碳处理，会发现基体表面在沉积时重新碳化，形成细碳化物，且生成的金刚石晶体也更加稳定。等离子体刻蚀脱碳处理会大大提高金刚石薄膜附着力，并对改善薄膜涂层刀具的切削性能有着有效的作用。
3、其他物理预处理方法
金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面物理预处理方法除了机械研磨方法和等离子体刻蚀方法外，主要的还有刀具表面粗化法、刀具表面植晶处理方法等。
刀具表面粗化法是指通过粗化在基体表面形成了许多位错、划痕和晶界等表面缺陷，而这些缺陷又往往为金刚石形核提供了形核功，促进金刚石的形核，而且如果基体表面粗糙度增加，就会增强金刚石薄膜与基体界面的机械锁合作用，提高了膜和基体的附着性能。通常使用的表面粗化方法主要有表面划痕处理、研磨、液体超声处理等，而且研究发现研磨时间越长，则晶粒的形核率就越高，但如果过度的表面粗化也会使基体与金刚石薄膜之间产生较多的空隙，使得它们间的附着力下降。同样的，基体表面热处理也可以改善表面的成分和表面应力状态，加大基体表面粗糙度，从而提高基体和薄膜的结合力，主要基体表面热处理方法有表面激光热处理、惰性气体等离子热处理、氢等离子体原位脱碳等方法。
表面植晶处理时指利用含有金刚石微粉的悬浮液对硬质合金刀具基体表面进行超声波处理的一种物理预处理方法。经过表面植晶处理后，硬质合金基体表面缺陷内的金刚石微粉可提高金刚石形核密度，而且会在基体和金刚石薄膜之间形成“锚链效应”，大大提高了基体与金刚石薄膜的附着力。这种方法在精加工零件中不可取。
三、金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面化学预处理
金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具表面化学预处理的方法主要有以下几种：
1、酸蚀去钴方法
在实际生产中，酸蚀去钴是比较常用的表面预处理方法，它主要是用HNO3、HCL、H2SO4、HF及其由它们配制的混合酸等对硬质合金刀具进行酸蚀去钴。
根据各种研究结果显示，酸蚀去钴，一方面可以降低刀具基体表面的钴含量，降低钴的蒸汽压，减少钴的表面扩散，从而增强金刚石薄膜的形核；另一方面酸蚀去钴也会使刀具基体的表面产生孔隙，从而减弱了金刚石薄膜涂层与刀具基体的粘接，所以酸蚀不能是简单的一步法。90年代中期发展起来的酸蚀去钴二步法在实际应用取得效果比较好。
2、添加过渡层方法
硬质合金刀具基体的材料与金刚石在物理性质上差别比较大，若直接将金刚石沉积到基体上，金刚石薄膜与基体的结合强度比较低，而且当薄膜残余的应力大于它们间的附着力的时候，金刚石薄膜会破裂，甚至从基体上脱落下来。生产中可在刀具基体与金刚石之间添加一种物理性质处于基体和金刚石之间过渡层，或者在基体上生成钴的中间化合物，这就是添加过渡层的方法。添加了过渡层，可减小因为金刚石和基体间物理性能突变，缓和应力的集中，改善金刚石薄膜与基体间的浸湿性，维持它们间界面的力学稳定性，从而提高它们的结合强度。
3、其他化学预处理方法
除了以上两种主要方法，金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具的表面化学预处理方法还有置换钴、钝化钴等方法。置换钴主要是指用Cu或其他对金刚石形核无影响的金属，置换出基体表面的钴，从而消除了钴的影响，这种方法能有效的阻挡钴向基体表面扩散，抑制钴的催化作用，达到降低界面层石墨的含量和提高金刚石薄膜附着力的作用。钝化钴的原理是应用等离子体钝化、化学试剂等方法，使钴与化学物质发生反应并生成稳定的化学物质，从而使基体表面中的钴失去活性，这是一种能够较好改善基体与金刚石涂层粘结的方法。
四、总结
金刚石薄膜镀膜硬质合金刀具在现代社会中拥有广泛的使用范围，但金刚石与基体的性能上有很大差异，对硬质合金基体进行表面预处理是使它们良好结合的有效措施。虽然表面预处理方法很多但在实际生产应用中，要根据实际情况，采用多种处理方法结合使用，从而能够更好的提高硬质合金基体与金刚石薄膜的结合强度。
参考文献
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作者简介
姓名：张洋学生，性别：男 学历：硕士，出生年月：1987年7月生，
籍贯：吉林，研究方向：超硬材料-金属复合膜
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