金刚石薄膜与硬质合金基体之间过渡层技术
硬质合金基体上钛过渡层碳化条件对金刚石薄膜附着力的影响
硬质合金基体上钛过渡层碳化条件对金刚石薄膜附着力的影响王传新;汪建华;满卫东;马志斌;王升高;傅朝坤;李克林;康志成【期刊名称】《人工晶体学报》【年(卷),期】2004(33)6【摘要】以WC 6 %Co为基体 ,采用磁控溅射法 ,在酸蚀后进行氢等离子体脱碳试样上制备Ti过渡层 ,然后碳化过渡层为TiC。
在电子辅助热丝化学气相沉积装置中制备金刚石薄膜。
研究碳化条件对金刚石薄膜与基体附着力的影响。
结果表明 ,在70 0℃左右的低温碳化 ,TiC结构致密 ,而在85 0℃左右的高温碳化 ,TiC呈疏松的多孔组织 ,在CH4 Ar等离子体中碳化则85 0℃左右仍能获得致密的TiC层。
【总页数】4页(P1048-1051)【关键词】附着力;基体;碳化;制备;脱碳;装置;磁控溅射法;金刚石薄膜;氢等离子体;过渡层【作者】王传新;汪建华;满卫东;马志斌;王升高;傅朝坤;李克林;康志成【作者单位】武汉化工学院省微波等离子体化学与新材料重点实验室;自贡硬质合金有限公司;中国科学院等离子体物理研究所【正文语种】中文【中图分类】O484【相关文献】1.钛过渡层与硬质合金基体表面结合状况对金刚石薄膜附着力的影响 [J], 王传新;汪建华;满卫东;傅朝坤;李克林;马志斌;王升高;康志成2.微波等离子体刻蚀对WC-Co硬质合金基体金刚石薄膜附着力的影响 [J], 刘学深;孙方宏;陈明;张志明3.基于中间过渡层技术提高金刚石薄膜与硬质合金基体间附着力的研究进展 [J], 崔雨潇;赵天奇;孙方宏;沈彬4.基于中间过渡层技术提高金刚石薄膜与硬质合金基体间附着力的研究进展 [J], 崔雨潇;赵天奇;孙方宏;沈彬;5.W过渡层结合界面对金刚石薄膜在WC-6%Co上的附着力的影响 [J], 王传新;汪建华;满卫东;马志斌;王升高;康志成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
CVD金刚石薄膜与硬质合金的结合力的改善途径
工材 料 的 切 削 、 电子 工 业 等 诸 多领 域 。 制 造 金 刚 石 薄 膜 涂 层 工 具 的 关键 在 于 增 强金 刚 石 膜 与 硬 质 合 金 基 体 间 的 结合 力 。 文 章 综 述 了增 强 化 学 气相 沉积 金 刚石 膜 与硬 质 合 金 基 体 结合 力 的 多种措 施 。
关 键 词 ： 质 合 金 ； ＶＤ； 述 ； 刚 石 ； 硬 Ｃ 综 金 薄膜 中图 分 类 号 ： Ｑ１ ４ Ｔ ６ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ３ ４ ３ ２ １ ） １ ０８ ０ １７ —１ ３ （０ １ Ｏ ～０ １ — ３
Ｉ ｒ ｖ ｍ ｅ ｔａ ｒ ａ ｈ ｏ ｈ ｏ ｄ ｎｇ ｆ ｒ ｅ ｏ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｐｐ ｏ ｃ ｓ ｆ ｒ ｔ ｅ ｂ ｎ ｉ ｏ ｃ ｆＣＶＤ
ｄ ａ ｏ ｄ ｆｌ ｎ ｅ ｅ ｔ ｄ ｃ ｒ ｉ ｅ ｓ ｂ ｔ ａ ｅ ｉ ｍ ｎ ｉｍ ａ ｄ ｃ ｍ ｎ ｅ ａ ｂ ｄ ｕ ｓ ｒ ｔ ｓ
ＢＩＸｉｏ ｑｎ，Ｗ ＡＮＧ ｉｇ，ＣＨＥＮ ｉ－ ｈ ｎ，Ｗ ＡＮＧ ａ －ｉ Ｂｎ Ｊｎ ｓ ｅ Ｑｉ
（ ｏｌｇ ｔｒ ｌ Ｓ ｉ ｃ ａ ｄ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ－ ｎ ｎＵ ｉｅｓｔ ｆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｚ ｅ ｇ ｈ ｕ ４ ０ ０ － ｈｎ ） Ｃ ｌ ｅ ｆ Ｍａ ｅｉ ｓ ｃ ｎ ｅ ｎ ｎ ｉ ｅｒｎ Ｈｅ ａ ｎ ｖ ｒｉ ｏ ｅｈ ｏ ｙ－ ｈ ｎ ｚ ｏ ５ ０ ７ Ｃ ｉ ａ ｅ ｏ ａ ｅ ｙ ｏ Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｃｅ ｅ ｔ ｄ ｃ ｒ ｉ ｅ ｔ ｏ ｓ ｗｉ ｉ ｍｏ ｄ ｔ ｉ ｉｍｓ ｇ ｏ ｐ ｂ ｓｒ ｃ ： ｍ ｎ ｅ ａ ｂ ｄ ｏ ｌ ｔ ｄ ａ ｎ ｈ ｎ ｆ ｈ ｌ ｒ ｗｎ ｕ ｙ ＣＶＤ ａ ｅ ｏ ｔ ｈ ｖ ｕ— ｓ ａ ｄ ｎ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｓｏ ｉ ｍ ｏ ｄ ａ ｄ ｃ ｒ ｉ ｅ ｔｉ ｗｉ ｅ ｙ ａ ｐ ｉｄ ｆ ｒｃ ｔ ｉ ｇ ｏ ｉ ｉｕ ｔ ｔ ｎ ｉ ｇ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｆｄ ａ ｎ ｎ ａ ｂ ｄ ．Ｉ ｓ ｄ ｌ ｐ ｌ ｏ ｕ ｔｎ ｆｄ ｆ ｃ ｌ ｅ ｆ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ａ ｅ ｉ ｌ －ｅ ｅ ｔ ｏ ｉ ｎ ｕ ｔ ｙ ａ ｄ ｍ ａ ｙ ｏ ｈ ｒ ｆ ｌ ｓ Ｂ ｔｔ ｅ ｋ ｙ ｐ ｉ ｔｏ ｈ ｓ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｍ ｔ ｒａ ｓ ｌ ｃ ｒ ｎ ｃ ｉ ｄ ｓ ｒ ｎ ｎ ｔ ｅ ｉ ｄ ． ｕ ｈ ｅ ｏ ｎ ｆｔ ｉ ｅ
金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理方法的研究
ｌ 引言 采 用 金 刚 石 涂 层 硬 质 合 金 ， 可 比未 涂 层 硬 质 合 金 使 用 寿 命 提 高 ３ １ 倍 ，从 而 大幅 度 增 加 其 产 品附 加值 。由于 金 ～ ０ 刚 石 与硬 质 合 金 在 热 膨 胀 系数 、 弹 性 模 量 、化 学 及 原 子 结 构 等 性 能 上 有 很 大 差 异 ， 尤 其 是 硬 质 合 金 基 体 中粘 结 相 Ｃ 的 存 在 ，不 仅 降低 了金 刚石 的 晶 核 形 核 率 ，而 Ｈ促 进 了 ｏ ． 在 涂 层 与 基 体 界 面 上 形 成 非金 刚石 的 碳 物 质 ，严 重 影 响 了 金 刚 石 涂 层 的质 量 和 粘 结 强 度 。因 此 ，要 获 得 高 质 量 金 刚 石 涂 层 的硬 质 合 金 产 品却 并 不 容 易 。现 在 大 多数 有 关 金 刚
石 涂 层 硬 质 合 金 的研 究 都 集 中 在 低 ｃ （ 量 小 于 ６ ）的 硬 ｏ 含 ％
金 刚 石 与 硬 质 合 金 在 物 理 和 化 学 等 性 能上 的较 大 差 异 ， 以及 硬 质 合 金 基 体 中 粘 结 相 Ｃ 对 涂 层 与 基 体 界 面上 金 刚 石 薄 ｏ 膜 生 长 的 负 面 影 响 ，是 造 成 金 刚石 涂 层 与 硬质 合 金 基 体 粘 结 性 较 差 的 根 本 原 因 。 通 过 分 析 ＣＤ 刚 石 涂 层 硬 质 合 金 的 过 Ｖ金 程 和 效 果 ，可 知 造 成 金 刚石 涂 层 与硬 质 合 金 基 体 粘 结 性 较 差 的直 接 因 素 有 ：在 涂 层 与 基 体 界 面 上 有孔 隙 形 成 ； 在 涂 层 与 基 体 界 面 上 存 在 非 金 刚 石 物 质 ；较 高 的残 余 应 力 。 首 先 ， 孔 隙 的 形 成 ，是 由于 较 低 的金 刚石 形 核 密 度表 面 生 长 之 前 ，在 涂 层 与 基 体 界 面 上 有 一 个 形 核 过 程 ，形 核 密 度 低 ，将 导致 界面 上 的 孔 隙 增 加 。而 硬 质 合 金 基 体 中 的粘 结 相 ｃ 对 金 刚 石 的形 核 极 为 不 利 。对 含 ｃ 量 为 ｏ ｏ ３ ～ １％ 硬 质 合 金 上 金 刚石 的 形 核 率 进 行 了 研 究 ， 发 现 含 ％ ０的 ｃ 量 ＞％ ， 金 刚石 在 硬 质 合 金 上 的 形 核 率 极 低 。这 导 致 了 ｏ ６时 现 在 多数 的研 究 都集 中在 含 Ｃ 量 小 于 ６ 的 硬 质 合 金 上进 行 。 ｏ ％ 其 次 ，界 面 上 形 成 的 非 金 刚 石 物 ，对 金 刚 石 涂 层 的质 量
通过过渡层改善金刚石薄膜贺基底间的结合性能
通过过渡层改善金刚石膜和基底间的结合性能黎向锋 左敦稳 王珉(南京航空航天大学机电工程学院 南京 210016)摘 要 介绍了在金刚石膜和基底间通过施加过渡层以改善金刚石膜与基底间的结合性能的研究成果。
金刚石膜可以通过过渡层沉积于多种基底上,如Si、SiO2、陶瓷(SiC,Al2O3)、钢及硬质合金基底等。
过渡层有单层(如DLC、C60、Y2ZrO2、C2N膜、TiC或TiN)和多层(如Mo/Ni、Mo/TiN或B/TiB2/B等)之分,根据金刚石、过渡层及基底的晶格匹配性和热学匹配性,对于不同的基底应选择不同的过渡层。
关键词 金刚石膜 结合性能 过渡层R evie w on Improvement of Adhesion bet w een Substrate andCV D Diamond Film by Using InterlayerL i Xiangf eng Zuo Dunwen W angM i n(Department of Mechanical Engineering,NUAA,Nanjing210016,China)Abstract Achievements on improving the adhesion strength of diamond film on substrate by introducing interlayer between them is reviewed in the paper.Diamond film can be deposited on many substrates by using interlayer such as Si,SiO2,SiC,Al2O3,Fe,WC2Co,and so on.The interlayer can be in form of monolayer as well as multilayer, such as DLC,C60,Y2ZrO2,C2N,TiC or TiN;Mo/Ni,Mo/TiN,B/TiB2/B.Different interlayer should be cho2 sen with different substrate according to the lattice parameter and thermal coefficient to meet the demand of lattice and thermal matching.K eyw ords Diamond film Adhesion strength Interlayer 金刚石膜具有优异的光学、电学、热学、声学和力学性能,在众多领域中具有广阔的应用前景[1]。
Cu和Cu_Ti过渡层对金刚石薄膜附着力的影响
[ 摘 要 ] 研究了硬质合金基底上采用 C u 和 Cu/ Ti 作过渡层 CVD 金刚石薄膜的附着力 。
XRD 研究了金刚石薄膜的成分和结构 ,激光 R aman 谱和洛氏硬度计评价了金刚石薄膜的质量和附着力 。
结果表明 ,在 C u 过渡层中引入 Ti ,由于 Ti 向 生长面的扩散 ,促进了金刚石的二次晶核 ,导致晶粒细化 。
在沉积初期 ,晶粒细化也提高了金刚石薄膜与基体表面的实际 接触面积 。
微晶金刚石有利于提高薄膜的附着力和抗冲击韧性 。
[ 关键词 ] 金刚石薄膜 ; 过渡层 ; 晶粒细化 ; 附着力 [ 中图分类号 ] O539 ;O484[ 文献标识码 ] A[ 文章编号 ] 1001 - 1560 (2003) 11 - 0016 - 02E ffect of Copp er and Cu/ Ti I nterm edi ate Lay er on Adhesi on of Di a mond FilmHUANG Yang 2feng , MA Zhi 2bin , WANG Jian 2hua , MEI Wen 2ming( P rovince K ey Laboratory of Plasm a C hemical & A dvanced Materials , Wuhan Institute of C hem ical T echnol ogy ,Wuhan 430074 , C hina )Abstract :Properties of diam ond film on WC 2C o m atrix with copper and copper/ titanium intermediate layer were studied by using XR D , R aman spectroscopy and R ockwell sclerom eter . The results showed that introducing titanium to WC 2C o m atrix , second crystal nucleus of diam ond was prom oted and the crystalline grain was refined for the di ffusi on of titanium to the growth face . G rain refining could also im p rove the virtual contacting area between diam ond film and WC 2C o m atrix during depositing initiati on. Micro diam ond increased the adhesi on and shock resistance toughness of film.K ey w or d s :diam ond film ; interm ediate layer ; grain refining ; adhesi on液中清洗 ,烘干 。
涂层用硬质合金基体表面预处理方法综述
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索- 百度文库2012届本科毕业论文（设计）论文题目：涂层用硬质合金基体表面预处理方法综述学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间：2012年5月18日摘要本文分析和综述了影响金刚石涂层硬质合金基体粘结性的主要因素。
按照其原理来分，预处理方法可分为物理预处理法、化学预处理法以及中间层法。
通过适当的预处理能有效消除或抑制基体中钴粘结相的负面影响，提高金刚石涂层与硬质合金基体间的粘结强度。
全面概述了金刚石涂层硬质合金刀具的开发现状、存在的主要问题，重点对硬质合金刀具表面预处理方法的研究现状进行了综述，发现甲醇预处理方法对硬质合金衬底表面抑制Co催石墨化作用。
将甲醇预处理方法融入到传统的两步处理方法中,提出了新的两步预处理方法,采用甲醇预处理方法能够有效抑制Co对金刚石薄膜的不利影响,新的两步预处理方法既能保证金刚石薄膜与衬底之间的附着强度,又非常适用于复杂形状整体式回转硬质合金刀具、拉拔模具等衬底,对于拓展金刚石涂层在涂层刀具领域的应用具有一定的参考作用。
关键词：金刚石涂层；硬质合金；表面预处理AbstractIn this paper，mainly analysis and summarizes the main factors of impacting the adhesion between diamond coatings and carbide substrate．According to the principle the surface pretreatment method can be divided into physical pretreatment method，chemical pretreatment method，and the middle layer method．Through the appropriate pretreatment can eliminate or inhibit the negative impact of cobalt binder phase in the substrate and increase the strength between the diamond coating and the cemented carbide substrate．Comprehensive overview of diamond coated cemented carbide cutting tools development present situation, the existing problems, emphasis on cemented carbide cutting tools surface pretreatment method research are reviewed.A methanol pretreating method was proposed to reduce the Co concentration on the surface of WC-Co substrate; also a new two-step chemical procedure The results showed that the new two-step method increases the diamond nucleation density and enhance the adhesion strength greatly. The new two-step chemical procedure is very suitable for complex shaped substrates, such as rotational cutting tools and drawingdies, which may broaden the use of diamond coatings for coated tool applications. Key Words：Diamond coatings；Cemented carbide；Surface pretreatment目录1绪论 01.2国内外研究现状 01.2.1 高速切削的优越性 01.2.2 硬质合金刀具材料的应用 01.3刀具切削加工技术的重要发展趋势 (1)2设计要求 (1)3影响涂层与基体粘结性的不利因素 (2)4基体表面预处理方法 (2)4.1基体表面机械处理 (2)4.2化学浸蚀液（酸洗）清洗法 (3)4.3硬质合金表面激光辐照（热）处理 (4)4.4添加粘结促进剂 (4)4.5氧化处理法 (4)4.6硬质合金表面渗硼处理 (4)4.7等离子体碳氮共渗法 (5)4.8甲醇预处理方法 (5)4.9硼氮共渗法 (6)4.10中间层法 (6)5结论与展望 (7)5.1结论 (7)5.2应用前景展望 (7)致谢 (9)参考文献 (10)1绪论硬质合金作为一种新型工具、结构材料。
金刚石涂层刀具综述
涂层金刚石刀具综述1引言随着汽车、航空和航天等工业的发展，有色金属及合金、纤维增强塑料、纤维增强金属以及石墨、陶瓷等新型先进材料越来越多的应用到这些工业产品中，这对机械加工提出了高效率，高精度等要求，普通刀具已经不能满足需求，而迫切需要一种耐磨性更高、能稳定实现高精、高效、寿命更长的超硬刀具。
金刚石涂层刀具因其具有十分接近天然金刚石的硬度和耐磨性、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，成为加工难加工材料的理想刀具。
化学气相沉积（CVD）金刚石问世于20世纪80年代初[1]，1987年美国的Crystallume公司率先在CZ硬质合金刀片上沉积金刚石涂层。
1995年瑞士的Sandvik公司与美国的Balzers AG公司合作建立了一条金刚石涂层生产线。
1997年日本的刀具公司在北京展出了他们的金刚石涂层刀具。
目前，国外已有金刚石涂层的丝锥、钻头、绞刀、立铣刀及可转位刀片等产品出售[2]，很多公司推出了自己的金刚石涂层产品，并且一些产品已进入了商品化阶段，如美国的Norton 公司、SP3公司，欧洲的Balzers公司、Cemen Cone公司、Sandivik公司、美国诺顿公司等。
图1.1为国外生产的金刚石涂层刀具。
(a) 德国 Emuge Franken 公司产品 (b) 瑞士 Balzers 公司产品图 1.1 国外公司生产的 CVD 金刚石涂层刀具CVD金刚石涂层刀具是利用化学气相沉积的方法在韧性好，强度高的硬质合金基体上沉积一定厚度的金刚石薄膜制造而成的。
目前金刚石涂层刀具常用的基体材料为与金刚石的热膨胀系数较为接近的Si3N4系陶瓷和WC系硬质合金。
其中Si3N4系陶瓷具有较高的硬度、耐磨性和热稳定性，与金刚石的热膨胀系数最为接近，因此一直被认为是CVD金刚石涂层较为理想的基体材料。
但是，由于Si3N4陶瓷本身脆性大，抗冲击性能差，一般认为，Si3N4基金刚石涂层刀具仅宜用于精加工，而不宜进行冲击切削加工。
CVD金刚石薄膜与硬质合金的结合力的改善途径
晶金刚石刀具还高。基体的预处理对硬质合金为基 体的金刚石涂层的附着力和涂层刀片的最终性能有 决定的作用。引起硬质合金表面结构重建的热处理 被证明和化学侵蚀预处理同样有效。然而, 上述的热 处理效果可以决定碳的显微结构, 一般认为, 粗晶粒 的含 Co 碳化钨晶体没有显现出化学气相沉 积金刚 石所应当具有的良好的抗磨损性能。 参考文献:
摘
要 : 化学气相沉积金刚 石涂层硬质合金工具综合了金刚石和硬质合金的优异性能 , 可广泛应用于难加
工材料的切削 、 电子工业等 诸多领域 。 制造金刚石薄膜涂层工 具的关键在 于增强金 刚石膜与 硬质合 金基 体间的结合力 。 文章综述了增强化学气相沉积金刚石膜与硬质合金基体结合力 的多种措施 。 关键词 : 硬质合金 ; CVD ; 综述 ; 金 刚石 ; 薄膜 中图分类号 : T Q164 文献标识码 : A 文章编号 : 1673- 1433( 2011) 01- 0018- 03
第 23 卷 第 1 期 2011 年 2 月
超
硬
材
料
工
程
V ol. 23 Feb. 2011
SU PERH A RD M A T ERI AL EN GIN EERIN G
*
CVD 金刚石薄膜与硬质合金的结合力的改善途径
毕晓勤, 王 冰, 陈金身, 王 琦
( 河南工业大学材料科学与工程学院 , 河南 郑州 450007 )
同时该方法避免了传统两步法中的强酸腐蚀去钴带来的危险过渡层的使用不同的基体材料应选择不同的过渡层首先要考虑在金刚石薄膜沉积气氛中稳定不与沉积气氛中的原子氢发生反应co的碳化物刚石无论是化学气相沉积或是物理气相沉积都要优先使用能够提高附着力的合适的过渡层材料体与气体沉积金刚石之间能相互作用产生压力时过渡层材料的膨胀系数应介于碳和钴之间可以减少残余热应力co为基体通过氢等离子体脱碳磁控溅射镀化等方法制备了微晶wc过渡层填充了氢等离子体脱碳时刀具表面因钴蒸发而留下的空洞形成过渡层在随后的碳化中和基体wc连接较为紧密从而增加了金刚石薄膜与基体的附着与单纯克服氢等离子体脱碳还原法相比克服了前者钴造成的有害影响的缺点前处理的主要对象是用化学侵蚀的方法侵蚀掉硬质合金表面的co
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1. 2 要求
这些特点使得有过渡层的金刚石膜看起来会比没有过渡层 的有更大的优势 。从过渡层的作用和其应该达到的效果可以看 出 ,对过渡层的性能要求应该符合以下几点 [1 ] :
1) 能降低合金与金刚石薄膜间由晶格常数 、热膨胀系数的 差异所造成的内应力 ;
2) 能与金刚石薄膜 、WC硬质合金两种异质材料均能形成 较强的结合键 ;
在过渡层确定后 ,施加工艺及其参数的选取是非常重要的 , 它对金刚石的质量和膜 /基结合力有直接的影响 。比如 :按含碳 量来算 ,WC2Co只有在很狭窄的两相范围存在 ,若沉积过程中 引 起 脱 碳 , 会 在 界 面 生 成 第 三 相 ———η相 ( Co3W3 C 或 Co6W6 C) ,降低结合力和基体强度 [4 ] 。从渗硼过渡层 [6211 ]可以 看出 :不同的工艺会引起基体 /过渡层结合力 ,过渡层成分 、结构 等产生差异 。甚至过渡层沉积温度对金刚石晶粒大小都有影 响 [9]。
另外 ,研究人员还对 B [6211 ] 、W C /W [12213 ] 、C r[14215 ] 、N i2P[16 ] 、 Mo[17218 ] 、B /B2Ti/B [19 ] 、Si[20 ]等作过研究 。在这些研究中膜基结 合力都有不同程度的提高 ,但是都没有达到理想的要求 。
3 施加过渡层应该注意的几点问题
0 引 言
1 过渡层的作用及其要求
对于将金刚石薄膜沉积在硬质合金上 ,科研人员已作过大 量的研究 。高硬度 、耐磨损 、摩擦因数低以及高化学惰性的金刚 石表面与硬度适中 、抗冲击性能良好的硬质合金基体组合将成 为一种非常理想的复合材料 。它可以广泛应用于刀具和石油矿 场机械的耐磨零件等 。然而由于金刚石与硬质合金物理化学性 质的差异较大 ,不能形成较强结合的化学键 ,只能形成机械方式 的锲合 ,若直接将金刚石 CVD沉积到未进行任何表面处理的硬 质合金基体上 ,会因金刚石膜内部和界面内应力巨大以及 Co的 干扰而影响膜层和基体的结合力 ,使得膜基结合强度很低 ,阻碍 金刚石涂层硬质合金的应用 。为了解决这一问题 ,研究者们早 期的工作主要集中在改进沉积工艺 、基体脱 Co、增加基体表面 能等基体表面处理方面 ,并取得了很多成果 ,但是没有达到理想 的结合力要求 。在基体和薄膜材料都一定的情况下 ,对于基体 或沉积方法我们能采取的有效措施是有限的 ,从 20 世纪 90年 代起 ,开始较多地研究在硬质合金上施加一层或多层物理化学 性质介于两者之间的过渡层 。
In terlayer Technology Between CVD D iam ond F ilm s and W C 2Co Substra tes
L IU J iong1 , HU D on g2p in g2 , XU E Q i3 , TAN G A n 2jun3 , WU Ke4 (1. Petroleum Industry Institute for Quality Surveillance and Inspection of W ell2Control Equipment, Sichuan Petroleum
[收稿日期 ]2007 - 07 - 10 [作者简介 ]刘炯 ( 1979 - ) ,男 ,四川泸州人 ,硕士学位 ,研究方向 : 表面 工程 。
1. 1 作用
先在硬质合金基体上生长单层或多层过渡层 (中间层 ) ,其 好处有 :
1) 界面过渡层减少界面物理性能的突变 ,缓和应力集中 , 减小薄膜与基底因晶格失配 、热膨胀系数差异而造成的内应力 。 固体的界面应力是由于分立的两相固体造成的 ,当薄膜材料与 基片材料的晶格结构不同 ,基体将使薄膜最初几层的结构产生 变形 ,以实现 2种结构的逐渐过渡 ,这样将引起应力变化 ,晶格 适配度越大 ,造成的界面应力越大 。
Adm inistration, Guanghan 618300, China; 2. China Academ y of Engineering Physics, M ianyang 621900, China; 3. Department of M aterials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
黄杨凤等人 [5 ]利用 Cu / Ti作为过渡层 ,先向脱钴的硬质合 金基体溅射 Cu,然后再溅射 Ti。一方面 Cu可以改善脱钴后疏 松的基体表面性能 ,另一方面还可以吸收热膨胀引起的剪切应 力 。另外 Cu、Ti原子在热处理 (退火 )过程中可以形成 Cu2Ti合 金 ,它对金刚石膜有良好的浸润性 。 Ti有利于金刚石形核 ,还 能阻碍主相晶粒长大 ,从而导致晶粒细化减少薄膜空隙 。
3. 4 施加过渡层工艺
大多数施加过渡层工艺都是与金刚石沉积过程分开的 ,常 用的工艺有真空蒸镀 、各种 PVD、各种 CVD、离子注入 /渗入 、电 镀等等 ,有少数是施加过渡层与金刚石沉积同时进行 ,在金刚石 CVD 沉积气氛中加入过渡层元素 [20 ] ,在界面偏析形成过渡层 。 其中 ,离子注入 /渗入属于表面改性技术 ,与涂覆技术不同的是 : 其表面成分和结构变化发生在基体材料的表面区域 ,且这种变 化是连续的 ,不存在与基体结合不牢的问题 。另外 ,真空蒸镀膜 内一般存在的是拉应力 ,而溅射膜内是压应力 。
施加了过渡层后也需要对其表面处理 ,如 :等离子轰击 、激 光重熔改组 、粗化处理 、种晶处理等 。其主要目的是 : 1)通过过 渡层 /基底之间元素进一步相互扩散增强它们结合力 ; 2 )增加 过渡层的致密度和均匀性 。值得注意的是在施加复合层时 ,某 些先涂的层也要求表面处理 ,以求达到均匀连续 ,这样才不会因 为动力学和结构的不同使后续涂层厚度不一 [3 ] ; 3 ) 提高表面 能 ,减少金刚石形核孕育期 。
影响 CVD金刚石薄膜附着力的因素有很多 ,单就过渡层的 影响来看 ,除了其选材有直接影响外 ,以下几点因素也对附着力 产生一定影响 。
3. 1 过渡层层数
每一层元素都会引入 2Байду номын сангаас界面 ,增加系统性能的不确定性 ,
复合层数越多情况就越复杂 。将元素渗入或注入基体的形式不 会增加新的界面 ,但它和单过渡层都存在同样的不足 :在解决有 效阻挡 Co的扩散 ;与膜 、基形成强结合键 ;缓解界面应力 ;为金 刚石沉积提供高形核密度 ;促进晶粒细化等方面不能面面俱到 。 要想尽可能满足上述要求 ,设计复合层也许是较好的途径 。
Konyashin等人 [324 ]通过特殊工艺用 Ti、N 离子与基体大量 反应生成 TiCN (它与基体结合力很强 ) ,然后逐步减少 N 离子 , 让过渡层的含 C、N量向表面方向递减 ,最后表层是纯 Ti。这是 为了在表层种植金刚石微晶 ,再使微晶部分与 Ti反应生成 TiC, 部分作为沉积金刚石薄膜过程中的种晶 ,以此来提高金刚石膜 / 过渡层结合力以及金刚石的形核密度 。在加工 A l26% Si的切削 试验中 ,这样的涂层刀具比未涂层刀具寿命提高了 3倍左右 。
3. 2 过渡层厚度
过渡层薄 ,则它的生长应力相对就小 ,但很有可能不能保证 其能有效阻挡 Co的外渗和防止 C过度渗入基体 ;膜厚了虽然 能有效地起到屏障作用 ,却会产生较大的内应力 ,硬度 、耐热性 都差 ,结合力降低 ,易剥落 。
3. 3 施加过渡层前后的表面处理
基体表面及近表层区域的物理 、化学结构和表面的几何形 状 (平整度 、波纹度和粗糙度 )对界面的形成及附着力的影响很 大 [21 ] 。表面本身的化学成分 ,几乎总是与材料内部不同 。表面 的前期处理 ,不仅可以改变材料的力学结构 ,而且也改变表面的 化学结构 ,因此需要对基体作有利于附着能力提高的处理 。
[摘 要 ] 介绍了有助于提高金刚石薄膜与 WC2Co基体之间附着力的过渡层技术 ,主要包括过渡层所起的作用 ,设计过渡层 考虑的因素 ,影响过渡层性能的因数 ,还介绍了几个有特色的例子 。
[关键词 ] 金刚石薄膜 ;附着力 ;过渡层 ;硬质合金 [中图分类号 ] TG175 [文献标识码 ]A [文章编号 ]1001 - 3660 (2007) 05 - 0088 - 03
大量的研究表明 :即便是有了过渡层 ,若不在之前先对基体 脱钴 ,钴在 CVD沉积过程中仍然可能穿过过渡层 ,给金刚石沉 积带来不利影响 。因此 ,在通常情况下施加过渡层前对基体脱 钴等表面处理是很有必要的 。对于脱钴后基体机械性能 (韧 性 、强度 )的降低 ,需要通过过渡层元素填充来弥补 ,保持基体 表面及近表层的结构和机械性能对过渡层 /基体的高附着力有 直接影响 。
2) 过渡层可阻止在沉积过程中薄膜与基底之间直接发生 反应 ,可防止钴在沉积温度下从基底深处向表面扩散 ,影响金刚 石的生长 ,还可以防止碳过度渗入基底 ,这对提高结合强度和维 持界面力学稳定性有重要作用 。
3) 过渡层材料与金刚石薄膜 、WC 可能产生较强的结合 键 。比如 Ti和 Si都可以与 WC和金刚石中的 C产生结合键 ,这 比金刚石直接沉积到 WC上的结合力要强 。
4) CVD金刚石沉积时 ,有可能在过渡层上得到比在 WC上 更大的形核密度和更快生长速度 。
第 36卷 第 5期 2007年 10月 表面技术
Vol. 36 No. 5 O ct. 2007 SURFACE TECHNOLO GY
3) 能够与金属 Co生成稳定的化合物形成阻挡层 ,或其本 身能直接阻止 Co在高温下向表面层以及金刚石涂层的扩散 ;
4) 金刚石在其上的形核率要高 ,有使金刚石细化晶粒的作 用;
5) 化学性质稳定 ,具有一定的机械强度 。
2 对过渡层现有的研究
研究人员对很多材料都作了研究 ,其中比较有特色的有 : M. S. Raghaveer等人 [2 ]采用加入嵌入式不连续金刚石层 ( em2 bedding layers)的方法 。在施加 TiN / TiC (先 TiN ,后 TiC) 层之 前 ,先在基底上沉积不连续的金刚石晶粒 。这样有 3个好处 :首 先可以综合 TiN / TiC和金刚石的热膨胀系数 ,使之接近 WC的 热膨胀系数 ;其次 ,露出的金刚石晶粒可以作为后续 CVD 沉积 金刚石时的晶种 ;另外 , TiN / TiC对连接起来的 2层金刚石有机 械锁合作用 。这样一来金刚石膜与基体的附着力就得到很大提 高。