金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面物理\化學(xué)預(yù)處理分述

金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但金剛石薄膜與硬質(zhì)合金刀具間的結(jié)合強(qiáng)度比較低，這大大影響了刀具的正常使用，成為金剛石薄膜涂層刀具發(fā)展的最大障礙，因此，積極的研究金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面預(yù)處理的方法具有十分重要的意義。
　　一、金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具發(fā)展概況及其表面預(yù)處理意義
　　金剛石薄膜是一種超硬涂層材料，擁有硬度高、熱導(dǎo)率高、摩擦系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好等有點(diǎn)，是上個(gè)世界80年代發(fā)展起來的一種理想工具材料。硬質(zhì)合金刀具材料是目前研究和應(yīng)用最多的一種最有前途的金剛石涂層刀具基體，具有良好的韌性，可用以加工各種復(fù)雜的刀具。
　　硬質(zhì)合金刀具中存在對(duì)一種名叫鈷的物質(zhì)，它對(duì)金剛石薄膜的形成有不利的影響，所以要對(duì)刀具進(jìn)行表面預(yù)處理，減弱鈷對(duì)金剛石薄膜形核及其生長的消極影響，減少非晶碳或石墨的產(chǎn)生，增加刀具與反應(yīng)氣源間的接觸面積，從而提高硬質(zhì)合金刀具的表面活性，縮小刀具與薄膜間的熱膨脹系數(shù)和晶格失配度的差異，推動(dòng)金剛石薄膜的成核和成長，增強(qiáng)硬質(zhì)合金刀具與金剛石薄膜間的結(jié)合強(qiáng)度，最終達(dá)到改善金剛石薄膜質(zhì)量的目的。金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面預(yù)處理方法大體上有物理和化學(xué)兩種。
　　二、金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面物理預(yù)處理
　　金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面物理預(yù)處理的方法主要有以下幾種：
　　1、機(jī)械研磨預(yù)處理方法
　　利用金剛石研磨膏或金剛石微份在襯底表面進(jìn)行研磨，生成含有金剛石微粉的溶液并用其對(duì)襯底表面進(jìn)行超聲波處理，或者利用化學(xué)腐蝕方法使襯底表面形成蝕坑的技術(shù)就是金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面機(jī)械研磨預(yù)處理方法。這種方法之所以能夠促進(jìn)金剛石形核的生成和成長是因?yàn)榻饎偸⒎墼谘心ヒr底表面后，基體表面形成了許多缺陷，這些缺陷剛好為金剛石形核的生成提供了形核功。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，隨著研磨時(shí)間的增長，晶粒形核率就越高，但若要形成大晶粒，則要縮短研磨時(shí)間，而且金剛石粉末的粒度越大，那么最后得到的金剛石薄膜表面就越粗糙，場致發(fā)射的效果就越好。
　　2、等離子體刻蝕方法
　　當(dāng)金剛石薄膜在氣相中生長時(shí)，因?yàn)樵託渚哂休^強(qiáng)活性，它會(huì)對(duì)Si等襯底表面有很強(qiáng)的刻蝕作用，使得在短時(shí)間內(nèi)，襯底表面在短時(shí)間內(nèi)刻蝕出許多凹?jí)男偷奈⑽g坑，且這些蝕坑的量級(jí)為納米量級(jí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些微蝕坑對(duì)于金剛石成核有破壞的租用，如果在浸蝕去鈷后，在氫氣中，用等離子體對(duì)刀具基體表面進(jìn)行原位脫碳處理，會(huì)發(fā)現(xiàn)基體表面在沉積時(shí)重新碳化，形成細(xì)碳化物，且生成的金剛石晶體也更加穩(wěn)定。等離子體刻蝕脫碳處理會(huì)大大提高金剛石薄膜附著力，并對(duì)改善薄膜涂層刀具的切削性能有著有效的作用。
　　3、其他物理預(yù)處理方法
　　金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面物理預(yù)處理方法除了機(jī)械研磨方法和等離子體刻蝕方法外，主要的還有刀具表面粗化法、刀具表面植晶處理方法等。
　　刀具表面粗化法是指通過粗化在基體表面形成了許多位錯(cuò)、劃痕和晶界等表面缺陷，而這些缺陷又往往為金剛石形核提供了形核功，促進(jìn)金剛石的形核，而且如果基體表面粗糙度增加，就會(huì)增強(qiáng)金剛石薄膜與基體界面的機(jī)械鎖合作用，提高了膜和基體的附著性能。通常使用的表面粗化方法主要有表面劃痕處理、研磨、液體超聲處理等，而且研究發(fā)現(xiàn)研磨時(shí)間越長，則晶粒的形核率就越高，但如果過度的表面粗化也會(huì)使基體與金剛石薄膜之間產(chǎn)生較多的空隙，使得它們間的附著力下降。同樣的，基體表面熱處理也可以改善表面的成分和表面應(yīng)力狀態(tài)，加大基體表面粗糙度，從而提高基體和薄膜的結(jié)合力，主要基體表面熱處理方法有表面激光熱處理、惰性氣體等離子熱處理、氫等離子體原位脫碳等方法。
　　表面植晶處理時(shí)指利用含有金剛石微粉的懸浮液對(duì)硬質(zhì)合金刀具基體表面進(jìn)行超聲波處理的一種物理預(yù)處理方法。經(jīng)過表面植晶處理后，硬質(zhì)合金基體表面缺陷內(nèi)的金剛石微粉可提高金剛石形核密度，而且會(huì)在基體和金剛石薄膜之間形成“錨鏈效應(yīng)”，大大提高了基體與金剛石薄膜的附著力。這種方法在精加工零件中不可取。
　　三、金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面化學(xué)預(yù)處理
　　金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具表面化學(xué)預(yù)處理的方法主要有以下幾種：
　　1、酸蝕去鈷方法
　　在實(shí)際生產(chǎn)中，酸蝕去鈷是比較常用的表面預(yù)處理方法，它主要是用HNO3、HCL、H2SO4、HF及其由它們配制的混合酸等對(duì)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行酸蝕去鈷。
　　根據(jù)各種研究結(jié)果顯示，酸蝕去鈷，一方面可以降低刀具基體表面的鈷含量，降低鈷的蒸汽壓，減少鈷的表面擴(kuò)散，從而增強(qiáng)金剛石薄膜的形核；另一方面酸蝕去鈷也會(huì)使刀具基體的表面產(chǎn)生孔隙，從而減弱了金剛石薄膜涂層與刀具基體的粘接，所以酸蝕不能是簡單的一步法。90年代中期發(fā)展起來的酸蝕去鈷二步法在實(shí)際應(yīng)用取得效果比較好。
　　2、添加過渡層方法
　　硬質(zhì)合金刀具基體的材料與金剛石在物理性質(zhì)上差別比較大，若直接將金剛石沉積到基體上，金剛石薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度比較低，而且當(dāng)薄膜殘余的應(yīng)力大于它們間的附著力的時(shí)候，金剛石薄膜會(huì)破裂，甚至從基體上脫落下來。生產(chǎn)中可在刀具基體與金剛石之間添加一種物理性質(zhì)處于基體和金剛石之間過渡層，或者在基體上生成鈷的中間化合物，這就是添加過渡層的方法。添加了過渡層，可減小因?yàn)榻饎偸突w間物理性能突變，緩和應(yīng)力的集中，改善金剛石薄膜與基體間的浸濕性，維持它們間界面的力學(xué)穩(wěn)定性，從而提高它們的結(jié)合強(qiáng)度。
　　3、其他化學(xué)預(yù)處理方法
　　除了以上兩種主要方法，金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具的表面化學(xué)預(yù)處理方法還有置換鈷、鈍化鈷等方法。置換鈷主要是指用Cu或其他對(duì)金剛石形核無影響的金屬，置換出基體表面的鈷，從而消除了鈷的影響，這種方法能有效的阻擋鈷向基體表面擴(kuò)散，抑制鈷的催化作用，達(dá)到降低界面層石墨的含量和提高金剛石薄膜附著力的作用。鈍化鈷的原理是應(yīng)用等離子體鈍化、化學(xué)試劑等方法，使鈷與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并生成穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)，從而使基體表面中的鈷失去活性，這是一種能夠較好改善基體與金剛石涂層粘結(jié)的方法。
　　四、總結(jié)
　　金剛石薄膜鍍膜硬質(zhì)合金刀具在現(xiàn)代社會(huì)中擁有廣泛的使用范圍，但金剛石與基體的性能上有很大差異，對(duì)硬質(zhì)合金基體進(jìn)行表面預(yù)處理是使它們良好結(jié)合的有效措施。雖然表面預(yù)處理方法很多但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)際情況，采用多種處理方法結(jié)合使用，從而能夠更好的提高硬質(zhì)合金基體與金剛石薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。