金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理？（1）

金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理？（1）

      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。由于金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Co 的存在, 不仅降低了金刚石的晶核形核率, 而且促进了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性。如何使金刚石与硬质合金性能上的差异得到匹配, 减少Co 相对涂层与基体界面上金刚石薄膜生长的负面影响, 是改善涂层与基体粘结效果的关键所在。
大多数研究认为, 改善金刚石涂层与硬质合金基体粘结效果的途径, 不外乎有下列3 条: 1) 采用低Co 或无Co 硬质合金基体; 2) 涂层之前,对硬质合金基体表面进行适当预处理; 3) 严格控制金刚石涂层工艺和方法。其中硬质合金基体表面预处理, 可以从根本上消除或减弱Co 的负面影响, 已受到世界各国研究人员的广泛重视。目前, 有关硬质合金基体表面预处理的研究着重在以下3 个方面: 1) 浸蚀基体表面除去Co 相或WC 相; 2) 在基体与涂层之间形成中间过渡层或中间化合物; 3) 基体表面机械或热处理。相对于未作表面预处理的硬质合金基体来说, 上述3种方法都对涂层与基体的粘结效果有了较大改善,有些方法已在实际生产中得到了应用。为了寻找改善涂层与基体粘结效果更好的方法和途径,必须首先了解影响金刚石涂层与硬质合金基体粘结性的各种因素。
1　影响涂层与基体粘结性的3 个不利因素
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Co 对涂层与基体界面上金刚石薄膜生长的负面影响, 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。深入分析CVD 金刚石涂层硬质合金的过程和效果]认为, 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所致。金刚石晶核在硬质合金表面生长之前, 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。由于金刚石次形核的数量有限, 在随后的晶核生长过程中, 也无法填充这些孔隙。因此, 涂层之后, 界面上有孔隙形成。而硬质合金基体中的粘结相Co 对金刚石的形核极为不利。对含Co 量为3%～ 10% 的硬质合金上金刚石的形核率进行了研究, 发现含Co 量> 6%时, 金刚石在硬质合金上的形核率极低。这导致了现在大多数的研究都集中在含Co 量< 6% 的硬质合金上进行。
其次, 界面上形成的非金刚石物, 对金刚石涂层的质量和粘结性有极大的害处。M eh lmann 等 观察到,在金刚石沉积生长过程中, 基体中的Co会向涂层方向扩散, 致使涂层中形成许多含饱和C 的球形Co 粒子, 这会严重影响金刚石涂层的质量。另外, Co 的存在还促进了涂层与基体的界面上形成非金刚石物,如石墨, 非晶C 等。从C- Co 二元相图可知, C 在Co 中有较大的溶解度, 随着温度的降低, C 在Co 中的溶解度下降,析出的C 会扩散到基体表面, 形成粘结性差的类石墨薄膜。从热力学上来讲, 在沉积条件下石墨是C 的稳定形态。因此, 在沉积冷却过程中,
从Co 中析出的C 会扩散到基体表面, 形成粘结性差的类石墨薄膜。
最后, 较高残余应力的产生, 是由于金刚石涂层和硬质合金基体的热膨胀系数相差较大造成的。金刚石的线热膨胀系数为311×106ö℃, 而硬质合金的线热膨胀系数为(415～ 711) ×106ö℃ (随Co 含量不同而变化)。结果, 金刚石涂层受残余压应力, 而硬质合金基体受残余拉应力, 残余应力越大, 金刚石涂层与硬质合金基体的粘结性越差。
上述研究表明, 在金刚石沉积过程中, 硬质合金基体中的Co, 不仅影响金刚石涂层的质量, 同时, 对金刚石的形核与生长, 以及粘结性都极为不利。因此, 要改善金刚石涂层与硬质合金基体的粘结性, 必须克服上述3 个不利因素。其中, 消除或减弱Co 的负面影响, 是解决问题的关健所在。

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