CVD金剛石塗層硬質合金刀具預處理技術——施加過渡層

除了酸液浸蝕和等離子蝕刻去除鈷Co的方法之外，在金剛石薄膜和硬質合金刀具基體間預先沉積一層過渡層也是一種常見的預處理技術。目前較為常見的幾種過渡層材料有單一過渡層以及複合過渡層，其中單一過渡層有矽（Si）、鉻（Cr）、硼（B）、銅（Cu）、鈦（Ti）、碳化矽（SiC）、氮化矽（Si₃N₄）、氮碳化矽（SiC_xN_y）氮化鈦（TiN）、碳化鈦（TiC）、氮碳化鈦（TiCN）、（Ti，Si）N_x、類金剛石鍍膜（Diamond-like carbon，DLC）等等；複合過渡層包括碳化鎢/鎢（WC/W）、碳化鈦/氮化鈦（TiC/TiN）、氮化鈦/氮碳化鈦/氮化鈦（TiN/TiCN/TiN）、氮碳化鈦/鈦（TiCN/Ti）、鉻/氮化鉻/鉻（Cr/CrN/Cr）、銅/鈦（Cu/T）等等。

引入該過渡層的作用有許多，其一由於過渡層的存在阻礙了碳和基體中促進石墨生長的鈷Co的擴散；其二，降低了由於金剛石塗層與硬質合金基體材料間的晶格參數或熱膨脹係數不匹配而產生的熱應力出現的可能性；其三，該過渡層改善了傳統金剛石薄膜與硬質合金基體間的結合強度，它與兩種異質材料都能形成具有一定強度的結合鍵；其四，其能在一定程度上提高金剛石的形核密度（形核 nucleation（也稱成核），過冷金屬液中生成晶核的過程，是結晶的初始階段。）和金剛石薄膜的附著力；最後，過渡層具有穩定的化學性質並且也具有一定的機械強度。

下面介紹幾個對於過渡層研究的相關實驗。有相關研究人員通過一定的工藝技術用鈦（Ti）和氮（N）離子與基體產生大量反應生成TiCN後逐漸減少N離子，使得過渡層含C、N量向表面方向遞減，直至最後表面為純鈦。這是為了在表層植晶時，金剛石晶體部分與鈦Ti反應生成碳化鈦TiC，部分作為沉積金剛石薄膜過程中的籽晶，以此來提高金剛石薄膜與過渡層之間的結合力以及金剛石的形核密度；還有一些研究發現利用TiN以及TiCN作為沉積過渡層，會使得金剛石薄膜純度較高，但是形核速度較慢。因此，他們嘗試直接在硬質合金基體表面沉積一層鋁膜，或是沉積一定數量的不連續的金剛石晶粒，從而改善了TiN/TiC和金剛石間熱膨脹係數的不平衡，使得金剛石的性和速度和附著力都得到顯著的提升；國外相關學者採用等離子脈衝鐳射熔融法在硬質合金基體表面形成一層氮化硼（BN）膜，其既消除了鈷Co所帶來的不利影響，又顯著地提高了金剛石塗層與硬質合金基體間的附著力。此外，國內學者也在硬質合金上基於鉻過渡層沉積CVD金剛石塗層，通過SEM以及光譜分析表明沉積工藝對金剛石的形態和成分有較為顯著的影響，並最終的到晶形完整、非金剛石成分較少，與硬質合金基體結合緊密的CVD金剛石塗層。
 

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