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。目前我國也加大了對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、物力進行金剛石膜的開發(fā)和應(yīng)用研究。根據(jù)國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟發(fā)展特點，金剛石薄膜涂層工具、金剛石熱沉基片、場發(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)進入市場。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)評價

　　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)評價方法

　　目前常用的金剛石膜品質(zhì)檢測手段有：①用Raman光譜測量薄膜結(jié)構(gòu)、純度和膜內(nèi)應(yīng)力狀況。其結(jié)果若相對于天然金剛石1332/cm特征峰向低波數(shù)方向移動，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、成核速率和生長速度。④用紅外光譜分析薄膜紅外透過率。⑤用壓痕法測定膜基界面結(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價指標）.最近的研究結(jié)果表明，用鼓泡法測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，必須對襯底表面進行適當預(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：

　　①表面脫Co處理：采用HCl、HNO3、H2SO4等對襯底表面層中的Co進行酸蝕處理；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）。

　　②在金剛石薄膜與襯底之間預(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散，從而增強成核密度及附著力。

　　③表面植晶處理。用含金剛石微粉的懸浮液（如丙酮）對硬質(zhì)合金襯底表面進行超聲處理或?qū)⒓{米級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，金剛石膜形核率隨著Co含量的增加而下降；當Co含量超過6%時，形核率最低。研究結(jié)果表明，采用適當?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)對工具性能的影響

　　國內(nèi)外多家研究機構(gòu)進行了采用硬質(zhì)合金基體制作簡單可轉(zhuǎn)位刀片的研究并且進行了車削試驗。研究表明：金剛石薄膜涂層刀具的附著強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，附著強度隨涂層厚度的增加而下降的趨勢并不十分明顯；當涂層厚度超過10μm后，附著強度隨涂層厚度的增加而顯著下降。因此，從提高附著強度的角度考慮，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其表面形狀會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)了超微細結(jié)晶金剛石薄膜硬質(zhì)合金刀具，經(jīng)切削試驗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一層10～15μm厚的表面光滑金剛石膜，車削加工試驗表明，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)合強度不足，脫鈷層深度過大、基體強度低所致；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行斷續(xù)切削試驗表明：WC-1.5%Co基體刀具附著強度較高，而WC-3%Co和WC-6%Co基體刀具附著強度較低。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)合強度遠大于硬質(zhì)合金上金剛石膜的結(jié)合強度，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，可顯著增強膜的結(jié)合強度。不過在壓應(yīng)力作用下，Si3N4陶瓷襯底上金剛石膜會以產(chǎn)生裂紋及裂紋擴展的方式失效。

　　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。基體預(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。切削加工試驗表明：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，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，作用于刀刃上的機械載荷隨著刃傾角的增大而減小，而且同時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。試驗表明：刃傾角為20°時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，各方面因素對金剛石薄膜工具的切削性能及壽命都有密切關(guān)系。