硬质合金刀具的类金刚石涂层的研究进展

赵佳群

摘 要：硬质合金刀具在发达国家刀具类型中占主导地位，同时，硬质合金切削刀具在我国也已经成为加工企业所需的主力刀具，随着硬质合金刀具市场需求的不断扩大，应用于刀具表面的涂层技术也迅速发展，类金刚石涂层的出现为涂层刀具开启了新的篇章。该文旨在回顾类金刚石涂层的发展史并分析其研究现状。

关键词：硬质合金 类金刚石涂层 膜基结合力 热稳定性

中图分类号：TG711 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（c）-0056-02

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sp3和sp2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 GPa或Hv6000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Sol和Ronald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 μm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 μm，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Ti和Si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 ℃时，膜结构可以保持稳定，当温度超过400 ℃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。

参考文献

[1] 郑艳彬，姜志刚.DLC膜涂层硬质合金刀具的研究进展[J].硬质合金，2012，29（2）：116.

[2] 胡兴军.刀具表面涂层技术进展综述[J].精密制造与自动化，2005（1）：14-17.

[3] 王维洁，陈智颖，王天民.类金刚石碳膜在各种后处理条件下稳定行为的研究[J].微细加工技术，1992（2）：62.