1.引言

　　金剛石具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，在自然界所有物質(zhì)中具有最高的硬度、室溫下有最高的熱導(dǎo)率，同時(shí)具有極低的熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、大的禁帶寬度（5.5eV）、最高的聲傳播速度、較高的半導(dǎo)體摻雜性以及從遠(yuǎn)紅外光區(qū)到紫外光區(qū)的光學(xué)透過性，如此眾多的優(yōu)異性能使得其在機(jī)械加工、微電子、光學(xué)等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　然而自然界中天然金剛石數(shù)量極少，通過高溫高壓合成的人造金剛石由于受粒度限制且價(jià)格昂貴，使得具有優(yōu)異性能的金剛石難以廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1982年，Matsumto等人使用化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備出了金剛石膜，為金剛石的應(yīng)用開辟了新的途徑，從而在全世界范圍內(nèi)掀起了CVD金剛石膜研究熱潮。目前我國(guó)也加大了對(duì)金剛石膜的研究投資力度，有多家研究單位投入了大量的人力、物力進(jìn)行金剛石膜的開發(fā)和應(yīng)用研究。根據(jù)國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，金剛石薄膜涂層工具、金剛石熱沉基片、場(chǎng)發(fā)射顯示器件、聲表面波器件及納米金剛石膜的應(yīng)用將有望陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)。其中，利用金剛石的高硬度、高導(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)等優(yōu)異特性，將金剛石薄膜涂層用于制作簡(jiǎn)單的可轉(zhuǎn)位刀片和復(fù)雜形狀的刀具，可解決有色金屬及其合金和高耐磨復(fù)合材料等的加工難題。因此，CVD金剛石薄膜涂層工具在切削加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　2.金剛石膜CVD制備方法與品質(zhì)評(píng)價(jià)

　　2.1金剛石膜CVD制備方法

　　目前，采用CVD合成金剛石膜的方法有很多種，主要包括：熱絲CVD法、電子加速CVD法、直流放電等離子體CVD法、直流等離子體噴射CVD法、微波等離子體CVD法、電子回旋共振CVD法、高頻等離子體CVD法、燃焰法、激光誘導(dǎo)CVD法、空心陰極等離子體CVD法等。在各種CVD方法中綜合指標(biāo)較好的是被研究單位廣泛采用的微波CVD法和熱絲CVD法。

　　2.2金剛石膜品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

　　目前常用的金剛石膜品質(zhì)檢測(cè)手段有：①用Raman光譜測(cè)量薄膜結(jié)構(gòu)、純度和膜內(nèi)應(yīng)力狀況。其結(jié)果若相對(duì)于天然金剛石1332/cm特征峰向低波數(shù)方向移動(dòng)，表明金剛石內(nèi)應(yīng)力為張應(yīng)力；反之，表明膜內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力。②用X射線衍射分析薄膜層金剛石的晶面結(jié)構(gòu)。③用掃描電鏡觀察薄膜表面形貌、成核速率和生長(zhǎng)速度。④用紅外光譜分析薄膜紅外透過率。⑤用壓痕法測(cè)定膜基界面結(jié)合力（膜基界面結(jié)合力是金剛石薄膜工具性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)）.最近的研究結(jié)果表明，用鼓泡法測(cè)量金剛石膜的彈性模量、泊松比、殘余應(yīng)力等，是一種非常有前途的測(cè)量金剛石薄膜力學(xué)性能的方法。

　　3.CVD金剛石薄膜涂層工具研究概況

　　3.1CVD金剛石薄膜涂層工具襯底預(yù)處理技術(shù)

　　理想的刀具材料應(yīng)具有極好的耐磨性，以延長(zhǎng)刀具的使用壽命；具有高斷裂韌性，以便承受高切削力。但大多數(shù)具有較好斷裂韌性的刀具材料（如高速鋼）通常不具備很好的耐磨性，而具有良好耐磨性的材料（如陶瓷材料）往往斷裂韌性又不好。由于硬質(zhì)合金（WC-Co）材料既有良好的耐磨性又有較高的斷裂韌性，因此是國(guó)內(nèi)外普遍采用的CVD金剛石薄膜涂層工具的襯底材料。

　　但由于金剛石薄膜和硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)相差較大，使得沉積后膜基結(jié)合力較差，而且硬質(zhì)合金中粘結(jié)相Co在沉積過程中起到了促石墨化作用，對(duì)金剛石成核有抑制作用。為了提高硬質(zhì)合金工具表面金剛石膜的沉積質(zhì)量，必須對(duì)襯底表面進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理（常用硬質(zhì)涂層材料和襯底的力學(xué)及熱學(xué)特性見下）.

表　常用硬質(zhì)涂層材料和襯底的力學(xué)及熱學(xué)特性

　　目前普遍采用的襯底表面預(yù)處理方法有：

　?、俦砻婷揅o處理：采用HCl、HNO3、H2SO4等對(duì)襯底表面層中的Co進(jìn)行酸蝕處理；采用氫等離子體或含氧的氫等離子體刻蝕Co;采用化學(xué)試劑鈍化等方法使襯底表面層中的Co失去活性；采用化學(xué)反應(yīng)置換Co,將硬質(zhì)合金襯底刀具放入化學(xué)試劑中，利用置換反應(yīng)將表面層中的Co置換成其它物質(zhì)（如Cu）。

　?、谠诮饎偸∧づc襯底之間預(yù)沉積中間過渡層，這些過渡層應(yīng)滿足熱膨脹系數(shù)適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、與硬質(zhì)合金和金剛石均有較好結(jié)合力、可以與Co反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物等要求。目前普遍采用的過渡層材料有：Ti、B、TiC、TiN、Cu等；復(fù)合過渡層：WC/W、TiN/TiCN/TiN、TiCN/Ti等。由于中間過渡層的存在，可以消除金剛石膜與硬質(zhì)合金襯底間晶格失配、熱膨脹系數(shù)差異造成的內(nèi)應(yīng)力，并可防止碳在沉積過程中過度滲入基底或Co從襯底深處向表面擴(kuò)散，從而增強(qiáng)成核密度及附著力。

　　③表面植晶處理。用含金剛石微粉的懸浮液（如丙酮）對(duì)硬質(zhì)合金襯底表面進(jìn)行超聲處理或?qū)⒓{米級(jí)金剛石微粉通過丙酮均勻散布于襯底表面，然后用激光迅速加熱，使金剛石微粉嵌入表層粘結(jié)相，均可提高成核密度。此外，表面化學(xué)清洗、液體超聲清洗、氫等離子體轟擊也是襯底預(yù)處理的基本手段。R.Bichle等發(fā)現(xiàn)：Co含量在3%～10%的范圍內(nèi)時(shí)，金剛石膜形核率隨著Co含量的增加而下降；當(dāng)Co含量超過6%時(shí)，形核率最低。研究結(jié)果表明，采用適當(dāng)?shù)亩浇g法工藝，即先用Murakami劑浸蝕WC相，再用酸浸蝕除去Co相的方法具有良好的除Co效果。

　　3.2金剛石膜結(jié)構(gòu)對(duì)工具性能的影響

　　國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了采用硬質(zhì)合金基體制作簡(jiǎn)單可轉(zhuǎn)位刀片的研究并且進(jìn)行了車削試驗(yàn)。研究表明：金剛石薄膜涂層刀具的附著強(qiáng)度隨涂層厚度的增加而下降。以WC-1.5%Co硬質(zhì)合金為基體的金剛石薄膜涂層刀具，涂層厚度在5～10μm范圍內(nèi)時(shí)，附著強(qiáng)度隨涂層厚度的增加而下降的趨勢(shì)并不十分明顯；當(dāng)涂層厚度超過10μm后，附著強(qiáng)度隨涂層厚度的增加而顯著下降。因此，從提高附著強(qiáng)度的角度考慮，金剛石薄膜涂層刀具的涂層厚度不宜超過10μm.另據(jù)報(bào)道，用CVD法在硬質(zhì)合金基體表面上制備的金剛石薄膜凹凸不平，通常表面粗糙度為Ry4～10μm,鍍有金剛石薄膜的切削刀具在加工鋁合金時(shí)其表面形狀會(huì)影響到被加工表面的粗糙度，難以獲得精加工所期待的表面光潔度。日本OSG公司研制開發(fā)了超微細(xì)結(jié)晶金剛石薄膜硬質(zhì)合金刀具，經(jīng)切削試驗(yàn)具有良好的抗粘著性、較高的加工精度、耐用度和薄膜韌性，已大量用于OSG公司開發(fā)的金剛石涂層切削工具并且受到用戶青睞。孫方宏等用熱絲CVD法在沉積后期采用同時(shí)升高碳源濃度和降低反應(yīng)壓力而使金剛石膜平坦化的新工藝，在WC-Co6%硬質(zhì)合金（YG6）上在沉積初期和中期生長(zhǎng)一層10～15μm厚的表面光滑金剛石膜，車削加工試驗(yàn)表明，該涂層刀具的使用壽命和切削性能都有明顯改善。

　　CVD金剛石薄膜涂層刀具切削高硅鋁合金的主要磨損、破損失效形式有磨粒磨損、金剛石膜開裂、剝落。磨粒磨損主要是工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)Si顆粒的"微切削"作用所致。早期金剛石膜剝落主要是金剛石膜與基體間結(jié)合強(qiáng)度不足，脫鈷層深度過大、基體強(qiáng)度低所致；而切削力、切削熱沖擊作用是引起中、后期金剛石膜剝落的主要原因。不同基體材料金剛石膜涂層刀具附著強(qiáng)度不同，用燃焰法在W、WC-1.5%Co、WC-3%Co、WC-6%Co基體上制備的刀具進(jìn)行斷續(xù)切削試驗(yàn)表明：WC-1.5%Co基體刀具附著強(qiáng)度較高，而WC-3%Co和WC-6%Co基體刀具附著強(qiáng)度較低。用熱絲CVD法在硬質(zhì)合金和Si3N4陶瓷刀具表面沉積金剛石膜，結(jié)果表明：Si3N4陶瓷上沉積金剛石膜的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于硬質(zhì)合金上金剛石膜的結(jié)合強(qiáng)度，這是由于硬質(zhì)合金表面容易生成石墨、WC等松散層，降低膜基結(jié)合性能，金剛石膜易直接以剝落形式失效；而Si3N4陶瓷襯底的膜基界面有可能形成SiC過渡層，可顯著增強(qiáng)膜的結(jié)合強(qiáng)度。不過在壓應(yīng)力作用下，Si3N4陶瓷襯底上金剛石膜會(huì)以產(chǎn)生裂紋及裂紋擴(kuò)展的方式失效。

　　3.3CVD金剛石薄膜涂層鉆頭的制備

　　與陶瓷相比，硬質(zhì)合金的韌性較好而且較易加工成形狀復(fù)雜的刀具，因此被用作主要的沉積金剛石薄膜涂層鉆頭的基體材料。上海交通大學(xué)陳明等在硬質(zhì)合金YG6鉆頭上沉積金剛石薄膜，鉆頭直徑分別為φ2mm、φ3mm、φ4mm、φ6mm,工件材料為SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（35Vol%SiC,14μm），鉆頭轉(zhuǎn)速為1400～9000r/min,金剛石沉積設(shè)備為EACVD,反應(yīng)氣體為丙酮和氫氣?；w預(yù)處理采用氧化處理，即將鉆頭置于CO2氣氛的微波等離子體設(shè)備中，使刀具襯底表面的WC及Co元素發(fā)生氧化反應(yīng)，由于氧化速度不同，WC顆粒間的粘結(jié)相Co被快速氧化，隨著氧化物的去除（加入堿溶液以去除鉆頭表面W及Co的氧化物），刀具襯底表面WC顆粒裸露明顯，從而達(dá)到增大表面粗糙度的目的，有利于金剛石的成核和初期生長(zhǎng)。切削加工試驗(yàn)表明：在刀具襯底表面粗化處理中，氧化處理方法適用于復(fù)雜形狀刀具，可保證刀刃完好，且便于批量生產(chǎn)，是一種很有發(fā)展前途的刀具襯底預(yù)處理方法；在CVD沉積金剛石過程中，添加適量粘結(jié)促進(jìn)劑可顯著提高金剛石薄膜附著力，從而提高刀具壽命；CVD涂層工藝適用于制備直徑φ4mm及以上的旋轉(zhuǎn)體復(fù)雜形狀金剛石薄膜涂層刀具。

　　3.4刀具幾何形狀對(duì)金剛石薄膜涂層工具性能的影響

　　金剛石薄膜的剝落不僅與其在刀具基體上的附著強(qiáng)度有關(guān)，而且與刀具的幾何參數(shù)有關(guān)。研究表明：刀尖圓弧半徑是影響切削力變化和切削區(qū)散熱條件的重要幾何參數(shù)，在刀具基體材料、表面預(yù)處理、沉積工藝及涂層厚度一定的條件下，刀尖圓弧半徑對(duì)切削過程中金剛石薄膜的剝落具有重要影響。金剛石薄膜涂層刀具的耐沖擊性隨刀尖圓弧半徑的增大而提高，但刀尖圓弧半徑大于1.5mm時(shí)，刀具耐沖擊性則下降。在切削系統(tǒng)剛度足夠的條件下，適當(dāng)加大刀尖圓弧半徑可有效提高金剛石薄膜涂層刀具的耐沖擊性。日本Hanyu等研究了用于切削高硅鋁合金的金剛石涂層鉆頭，結(jié)果表明：通過改變鉆頭切削刃形狀和涂層厚度，可以優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)從而提高切削效果。在鉆頭旋轉(zhuǎn)過程中，作用于刀刃上的機(jī)械載荷隨著刃傾角的增大而減小，而且同時(shí)隨著刃傾角的增大切削載荷也趨于集中在刀刃尖部，這導(dǎo)致涂層上的局部應(yīng)力集中。試驗(yàn)表明：刃傾角為20°時(shí)金剛石涂層鉆頭顯示出最好的切削效果。

　　4.結(jié)語

　　綜上所述，影響CVD金剛石薄膜工具質(zhì)量的因素有襯底材料、襯底預(yù)處理方法、工具基體形狀等，各方面因素對(duì)金剛石薄膜工具的切削性能及壽命都有密切關(guān)系。