两种预处理对硬质合金金刚石涂层附着力的影响对比研究

制约金刚石薄膜涂层工具走向市场化的关键问题是金刚石薄膜与硬质合金衬底的附着力低。困难来自于硬质合金的粘结相钴。消除钴对涂层附着力不利影响的措施很多。其中 ,真空渗硼和施加铜过渡层处理是两种较为有效的方法。本实验的目的就是要比较两种预处理对金刚石涂层附着力的影响。我们利用强电流直流伸展电弧等离子体CVD设备对真空渗硼和施加铜过渡层处理的刀片同时进行了金刚石薄膜沉积。通过激光喇曼、压痕和切削实验对其涂层的附着力进行分析、对比。结果表明 ,真空渗硼和施加铜过渡层处理均可有效地提高硬质合金金刚石涂层的附着力(未处理试样涂层的附着力 <60 0N。施加铜过渡层处理试样附着力 <15 0 0N ,真空渗硼预处理试样附着力≥ 15 0 0N)。但两者相比较而言 ,真空渗硼预处理法具有更好的效果     

化学脱钻对硬质合金沉积金刚石薄膜的影响

采用HFCVD系统,以Cu4和H2为反应气体,分别在YG3、YG6、YG10、YG13硬质合金上沉积了金刚石薄膜,研究了化学脱钴处理对不同钴含量硬质合金沉积金刚石薄膜的影响。通过对105个样品的实验结果进行统计分析发现,YG3所得金刚石薄膜样品具有足够结合强度的比例为89％;而YG6、YG10和YG13所得样品的相应值分别为24％、7％和0％。相反,YG3、YG6、YG10和YG13所得金刚石薄膜严重破坏的比例分别为0％、64％、72％和79％。研究表明,化学腐蚀脱钴处理能够解决金刚石涂层形核率低的问题,但难以解决高钴硬质合金的附着性差的问题。     

准分子激光预处理对硬质合金表面沉积金刚石薄膜结合强度的影响

研究了不同表面预处理条件下,硬质合金表面沉积金刚石薄膜的附着强度和破坏方式。结果表明,准分子激光预处理可以大幅度提高金刚石薄膜的附着强度,其作用机理是由于准分子激光辐照处理使硬质合金表面层的Ｃｏ选择性蒸发,避免了Ｃｏ对金刚石薄膜沉积的有害影响,以及由于高能激光束引起的表面改性（粗糙化）所产生的对金刚石薄膜的“锚链效应”。     

化学脱钴对硬质合金沉积金刚石薄膜的影响

采用HFCVD系统,以CH4和H2为反应气体,分别在YG3、YG6、YG10、YG13硬质合金上沉积了金刚石薄膜,研究了化学脱钴处理对不同钴含量硬质合金沉积金刚石薄膜的影响.通过对105个样品的实验结果进行统计分析发现,YG3所得金刚石薄膜样品具有足够结合强度的比例为89%;而YG6、YG10 和YG13所得样品的相应值分别为24%、7%和0%.相反,YG3、YG6、YG10 和YG13所得金刚石薄膜严重破坏的比例分别为0%、64%、72%和79%.研究表明,化学腐蚀脱钴处理能够解决金刚石涂层形核率低的问题,但难以解决高钴硬质合金的附着性差的问题.     

微型硬质合金钻头上金刚石涂层研究

WC-Co硬质合金钻头经过短时间酸腐蚀和微波等离子体硼氮化处理后,利用热丝CVD方法生长金刚石薄膜,并在电路板和玻璃板上进行了附着力测试.研究表明:钻头垂直于热丝放置,钻头端部为最高硬度的(111)面,有利于改善钻头切削加工性能;短时间酸腐蚀只去掉了钻头表面的钴,不降低表面硬度.同时酸腐蚀手段提高了表面粗糙度,避免了在随后的硼氮化处理时在WC表层形成低附着力的硼化物层,提高了金刚石薄膜附着力.在电路板及玻璃板上钻孔的测试结果表明,金刚石薄膜涂层钻头具有更高的寿命.     

硬质合金气态渗硼预处理及其对金刚石薄膜附着性能的影响

目的保持硬质合金预处理后基体的强度和表面光洁度,并且提升沉积的金刚石薄膜的膜基结合力。方法使用真空管式炉设备对硬质合金进行真空热处理气态渗硼,然后使用热丝化学气相沉积系统(HFCVD)沉积金刚石薄膜。之后采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、拉曼光谱仪、表面轮廓仪和洛氏压痕测试仪等对样品的结构、形貌和膜基结合性能进行了分析。结果使用真空热处理气态渗硼法可以在较短时间内完成硬质合金的硼化处理,得到以Co WB相为主的渗硼层,并且具有高温稳定性,表面硬度较未硼化处理的样品提高了15%～20%,最高硬度达到2445HV。相较于酸碱刻蚀二步法预处理,渗硼处理更加有效地改善了膜基结合力,当渗硼温度在1000℃时,可以更加有效抑制基体中的Co颗粒向外扩散,制备的金刚石薄膜质量最优,薄膜和基体的结合性能也更加优异。结论采用真空管式炉进行的热处理气态渗硼预处理法可以简单高效地实现对硬质合金的硼化处理,重复性好,并且可大批量处理,处理后沉积的金刚石薄膜有良好的膜基结合力。     

硬质合金表面渗硼处理对CVD金刚石涂层形成的影响

采用渗硼工艺对ＹＧ６硬质合金表面进行预处理,探讨了渗硼预处理对硬质合金金刚石薄膜涂层形成的影响。研究结果表明,渗硼时Ｃｏ在硬质合金表面同Ｂ形成ＣｏＢ、Ｃｏ２Ｂ化合物层。该硼化物层在金刚石沉积过程中,能有效阻挡硬质合金中粘结相Ｃｏ向表面扩散,消除了Ｃｏ对金刚石薄膜涂层形成时的不利影响,改善了薄膜涂层质量,提高了附着力。     

硬质合金金刚石涂层的附着性能

将表面低Co含量(Co含量≈0.38wt%)的硬质合金基体在微波等离子体化学气相沉积装置中进行金刚石涂层,用扫描电镜(SEM)对金刚石涂层进行形貌分析,用EDAX确定硬质合金表面Co的含量,用压痕法和划痕法评价金刚石涂层与基体间的附着性。研究结果表明:不同厚度的金刚石涂层均具有良好的晶型。虽然涂层厚度增加,但是基体表面Co含量较少,是形成涂层/基体附着性能良好的主要原因,6μm的金刚石涂层具有较好附着性能。     

沉积温度对硬质合金金刚石涂层附着力影响的研究

采用宝痕实验、扫描电镜与激光Ｒａｍａｎ光谱分析,实验研究了酸浸硬质合金基底上金刚石涂层的附着力随沉积温度的变化。结果表明,涂层质量随沉积温度降低而显著恶化,涂层应力则随沉积温度提高而上升。从提高涂层附着力的角度考虑,存在一个最佳沉积温度。在较低的沉积温度下,涂层自身的质量较低、力学性能较差,在载荷作用下易于破坏。提高沉积温度,涂层自身的质量可得到改善,但基底中的钴向基底表面扩散的倾向加大,而且热应力增大,会严重降低涂层与基底的附着力。除硬质合金基底的预处理工艺处,沉积工艺对金刚石涂层的组织、性能以及附着力均有重要影响。     

激光预处理硬质合金衬底沉积金刚石薄膜研究

研究了准分子激光辐照对ＷＣ－６ｗｔ％Ｃｏ硬质合金工具衬底沉积金刚石膜的影响。证实准分子激光辐照可产生钴选择性蒸发和表面粗糙化；从而有效地降低表面钴含量，消除钴对金刚石膜沉积的有害影响。     

金刚石厚膜与硬质合金的连接

采用扩散焊与钎焊相结合的方法,用Ｔｉ箔和Ａｇ－Ｃｕ箔共同做中间层材料,在一定的温度、压力和保温时间下,实现了气相沉积金刚石厚膜与硬质合金间的牢固连接。经扫描电镜和电子探针分析发现,在金刚石与中间层界面近区有Ｃ、Ｔ元素的相互扩散,并且观察断口发现：断裂大部分发生在中间层上,只有局部区域金刚石的表面暴露出来。这可以说明金刚石与钎料之间已形成了牢固的冶金连接。     

三步酸蚀去钴对金刚石薄膜附着力影响的研究

用热丝化学气相沉积(HFCVD)制备金刚石薄膜涂层之前,采用两步酸腐蚀和三步酸腐蚀对WC-Co硬质合金(YG6)基体表面进行去Co预处理。SEM形貌观察、X射线衍射谱和EDAX能谱分析都表明,与两步腐蚀方法相比,三步酸腐蚀处理表面去Co效果更加好,沉积金刚石薄膜的压痕图更证实其对涂层质量的改善,并且该方法可以减少预处理时间,更适宜于工业生产。     

预处理对金刚石薄膜质量及结合力的影响

目的改善硬质合金表面金刚石薄膜的结合力。方法采用热丝CVD法在硬质合金基体上制备金刚石薄膜,研究对比喷砂+一步法、喷砂+两步法、Al Cr N过渡层和传统两步法这四种预处理对金刚石薄膜质量及其结合性能的影响。对预处理后硬质合金基体表面的形貌和粗糙度进行分析,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱及洛氏硬度计表征金刚石薄膜的形貌、结构及性能。结果喷砂有利于在基体表面获得均匀分布的凹坑,提高金刚石的形核密度及均匀性,尤其改善了金刚石颗粒的团聚现象。Al Cr N过渡层虽然表面粗糙度不高,但有大量的凸起颗粒,提供了极佳的形核点,也在一定程度上优于传统两步法的表面金刚石形核密度。在金刚石薄膜沉积参数不变的前提下,传统两步法预处理获得的涂层结合力为HF4级,喷砂结合一步法和两步法获得的结合力分别达到了HF3级和HF1级,但Al Cr N过渡层的结合力表现较差。结论 Al Cr N过渡层能阻挡Co的扩散,提高了金刚石的纯度,但金刚石膜的内应力较大,结合力差。喷砂和刻蚀复合预处理不仅能提高金刚石的结晶质量和纯度,金刚石薄膜的结合力也得到改善。     

等离子体技术在提高硬质合金工具上金刚石薄膜附着力方面的应用

金刚石薄膜具有优异的性能，作为切削工具表面的保护性涂层，可以大幅度提高工具的使用寿命以及加工精度。硬质合金是一种广泛使用的工具材料，在其表面沉积高附着力的金刚石薄膜时存在着困难。等离子体中离子、原子或分子具有高的反应活性，等离子体技术在金刚石薄膜的制备中有着广泛应用。利用等离子体技术可以极大的消除因金刚石薄膜与硬质合金基体之间存在热应力以及由硬质合金中的钴粘结剂在化学气相沉积金刚石薄膜过程中的促石墨化作用而产生的不利影响，提高金刚石薄膜与硬质合金基底之间附着力。本文综述了等离子体技术在提高硬质合金工具表面金刚石薄膜附着力方面的研究进展。     

沉积温度对硬质合金金刚石涂层附着力影响的研究

采用压痕实验、扫描电镜与激光Raman光谱分析,实验研究了酸浸硬质合金基底上金刚石涂层的附着力随沉积温度的变化.结果表明,涂层质量随沉积温度降低而显著恶化,涂层应力则随沉积温度提高而上升.从提高涂层附着力的角度考虑,存在一个最佳沉积温度.在较低的沉积温度下,涂层自身的质量较低、力学性能较差,在载荷作用下易于破坏.提高沉积温度,涂层自身的质量可得到改善,但基底中的钴向基底表面扩散的倾向加大,而且热应力增大,会严重降低涂层与基底的附着力.除硬质合金基底的预处理工艺外,沉积工艺对金刚石涂层的组织、性能以及附着力均有重要影响.     

预处理工艺对硬质合金上沉积金刚石膜的影响

比较了酸浸与渗硼预处理对硬质合金上没积金刚石膜的影响。研究结果表明：渗硼预处理比酸浸预处理对提高金刚石膜的质量和结合力更为有利。     

硬质合金表面化学脱钴对金刚石涂层的影响

以CH3COCH3和H2为反应气源,采用热丝CVD法在经过一步法和碱酸两步法预处理的YG6硬质合金(WC-6％Co)基体上沉积了金刚石涂层.采用扫描电镜、能谱仪、硬度计等对样品进行了分析检测,着重考察了一步法和两步法化学腐蚀脱钴预处理工艺对硬质合金基体表面形貌、钴含量以及其对所得金刚石涂层的形核密度、晶粒尺寸、膜基附着性能等的影响.实验结果表明:无论是一步法还是两步法脱钴预处理工艺,都能去除YG6硬质合金基体表面的钴元素,一步法最佳腐蚀时间为15 min,两步法最佳腐蚀时间为5min,两步法效果强于一步法.在经两步法5min酸蚀脱钴预处理的YG6基体上,获得了膜基粘着性能良好、结晶性能好的微米金刚石涂层.     

金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理研究新进展

从孔隙的形成、界面非金刚石物的形成以及较高残余应力等3个不利方面,分析和综述了影响金刚石涂层与硬质合金基体粘结性的主要因素。着重对浸蚀基体表面除去Co相或浸蚀WC相,在基体与涂层之间形成中间过渡层或中间化合物,基体表面机械或热处理等硬质合金基体表面预处理,改善涂层与基体粘结性的3种方法和途径进行了阐述。