那些你不知道的类金刚石涂层刀具研究现状

河南省豫星华晶微钻有限公司 2018-12-05 13:56:53

硬质合金刀具因其具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、 耐热、耐腐蚀等优良性能,在现代机械加工业的发展中起到 重要的作用。随着各种切削技术的进步,传统的硬质合金涂 层刀具并不能满足现在市场的需求,涂层刀具需要创新。类 金刚石涂层的出现为硬质合金刀具的发展提供了新的契机。

1 类金刚石涂层概述

类金刚石涂层是一种在微观结构上含有金刚石成分的 涂层。构成类金刚石的元素为碳。碳原子和碳原子之间的 不同结合方式,使其最终产生的物质也不同,如在金刚石 中碳原子与碳原子之间是以sp3键的形式结合的,在石墨中 碳原子与碳原子之间是以sp2键的形式结合的,而在类金 刚石中碳原子与碳原子之间则是以sp3sp2键的形式结合 的。类金刚石涂层由于含有金刚石成分,具有硬度高(能达 到-60 GPaHv6000以上);摩擦系数低(-0.06);膜层 致密性极好;化学稳定性好以及光学性能好等很多优良的 性能。因此,类金刚石涂层作为一种理想的涂层材料广泛应 用于硬质合金刀具,成为现代机械加工业的新生力量。

2 类金刚石涂层的发展历程

类金刚石薄膜的问世始于20世纪70年代,由德国科学家 SolRonald在室温下采用离子束沉积法将单价的碳离子 沉积在基体上制成。我国科学家林锡刚等人在1984年采用低 能离子束沉积技术制成类金刚石薄膜,并对其力学、电学、 光学性能进行了初步测试。随着现代科学技术的发展,类金 刚石薄膜的制备方法也不断进步。

2.1物理气相沉积法

物理气相沉积是在真空状态下,将被沉积元素变成原子进行气相沉积。用于制备类金刚石薄膜的物理气相沉积法包括经典的离子束沉积法(通过等离子体溅射石墨靶产生碳离子,经电磁场的加速作用沉积在基体表面)、新兴的直流 磁控溅射技术(电子在磁场的作用下将Ar原子变成Ar离子, 轰击石墨靶面,溅射出的碳原子在基体表面形成膜)、射频溅射技术(电子在射频振荡的作用下将Ar原子变成Ar离子, 轰击石墨靶面,溅射出的碳原子在基体表面形成膜)以及脉 冲激光沉积法(在真空条件下,利用脉冲激光束使石墨靶释放碳离子,在基体表面沉积成膜)。

2.2 化学气相沉积法

化学气相沉积是在热能、光能或等离子体等各种能源的作用下,通过发生化学反应,使蒸汽状态的化学物质形成固 态沉积物。用于制备类金刚石薄膜的化学气相沉积法包括 直流辉光放电效应(碳氢气体在直流辉光的作用下分解形 成等离子体,与基体表面相互作用形成膜)、射频辉光放电法 (碳氢气体在射频辉光放电下分解形成等离子体沉积在基 体表面形成膜)、微波-射频法(采用微波等离子体形成膜) 以及等离子体增强化学气相沉积法。

2.3液相电化学沉积法

液相电化学沉积技术不同于前两种方法,它在高电压作 用下,将含有碳元素的有机溶剂中的分子进行非常复杂的分 解,最终在基体表面形成碳膜。液相电化学沉积法制作类金 刚石涂层不但对设备要求简单、成本不高、原料来源广,而 且很大程度上提高了涂层薄膜的质量。

从最初的离子束沉积技术到后来的等离子体辉光放电 法、化学气相沉积法以及液相电化学沉积法等对制备类金 刚石薄膜有了更深入的认识,并且在探索新的制备技术过程 中对类金刚石涂层的性能不断测试,发现类金刚石薄膜在 更多领域包括机械工业、空间、光学、微电子、医学等各领域 的应用潜能,也由此对类金刚石涂层的进一步研究提出了更 高的要求。

3 硬质合金刀具的类金刚石涂层存在的问题与解决措施

随着硬质合金刀具市场的不断扩大,类金刚石涂层薄膜 与基体之间结合力差,薄膜热稳定性差等问题日益凸显。

3.1 膜基结合力差

经过对类金刚石涂层制备过程的分析发现,当基体表面 薄膜的厚度大于或等于1 um时,薄膜会发生脱落,这与膜 体-基底之间热膨胀系数不匹配有关。因此,如何改善膜基 结合力,提高薄膜稳定性引起业内人士广泛关注。

3.1.1选择适当的工艺参数

薄膜与基体之间结合力的大小与沉积方法及沉积工艺 参数有关,因此选择合适的沉积压力、偏压等参数,有助于 提高膜体与基体之间的结合力,并延长类金刚石膜层的使用 时间。

3.1.2改善基体状态

当基体表面存在缺陷时,会影响膜与基体之间的结合, 对此可以利用超声波、金刚石研磨等机械方法来清洗刀具基体,清除表面污染物及氧化物;另外,采用化学酸蚀方法, 能够去除刀具基体表面的钴,并能粗化基体,增加膜基接触 面积,提高膜基结合力。

3.1.3添加过渡层

膜基之间热膨胀系数不匹配导致结合力差,有研究者认 为可以在类金刚石膜和硬质合金刀具之间添加另外一种材 料,但是鉴于薄膜厚度不能超过1 um,所以可以在刀具基 体表面涂抹一层与硬质合金基体热膨胀系数相匹配的涂层 如TiSi等作为过渡层来改善类金刚石碳膜与基体结合强 度,提高膜基结合力。

3.2 热稳定性差

由于类金刚石涂层的机械性能由sp3键决定,而电学和 光学性能由sp2键决定,高温条件可以促使sp3键转化为sp2 键,从而使薄膜的机械性能降低,电学和光学性能增强,不 利于薄膜的稳定。类金刚石涂层可以分为含氢及无氢两种 类型,有研究表明,在制备含氢类金刚石涂层薄膜过程中, 若退火温度低于400 °C时,膜结构可以保持稳定,当温度超 过400 °C时就会导致sp3键转化为sp2键,使得晶体结构向 石墨结构转化,所以,高温可以造成薄膜结构不稳定,耐热 性差。在含氢类金刚石涂层制备中加入Si等杂质元素,可以 改变sp2键及sp3键的成键方式,增加类金刚石涂层的热稳 定性。同样,无氢类金刚石涂层薄膜的热稳定性大小也与 sp3含量有关,随着sp3含量降低热稳定性变小。另外,薄膜厚度增加可以使sp3键含量也增加,从而提高热稳定性。还 有研究发现,采用液相法制成的类金刚石涂层热稳定性极 高,有效地解决了这一问题。

4 结语

随着硬质合金刀具市场的不断扩大,刀具涂层技术不断 进步,类金刚石薄膜制备方法越来越多,包括物理气相沉积 技术、化学气相沉积技术以及新兴的液相电沉积技术等。同 时,我们也看到了类金刚石薄膜存在着膜基结合力差、热稳 定性差等缺陷。经过对类金刚石涂层不断地研究,发现可以 通过选择合适的工艺参数、改善基体状态、添加过渡层来增 加膜基结合力。并且近年来的研究表明在含氢类金刚石涂层 制备中加入Si等杂质元素、采用液相法制作类金刚石涂层热 稳定性极高,可以有效地解决热稳定性差的问题。总之,硬质合金刀具表面类金刚石涂层技术日趋成熟,随着研究的不 断深入,未来可以制备出更好的类金刚石薄膜