CVD金刚石涂层硬质合金刀具预处理技术——施加过渡层

除了酸液浸蚀和等离子蚀刻去除钴Co的方法之外，在金刚石薄膜和硬质合金刀具基体间预先沉积一层过渡层也是一种常见的预处理技术。目前较为常见的几种过渡层材料有单一过渡层以及复合过渡层，其中单一过渡层有硅（Si）、铬（Cr）、硼（B）、铜（Cu）、钛（Ti）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氮碳化硅（SiC_xN_y）氮化钛（TiN）、碳化钛（TiC）、氮碳化钛（TiCN）、（Ti，Si）N_x、类金刚石镀膜（Diamond-like carbon，DLC）等等；复合过渡层包括碳化钨/钨（WC/W）、碳化钛/氮化钛（TiC/TiN）、氮化钛/氮碳化钛/氮化钛（TiN/TiCN/TiN）、氮碳化钛/钛（TiCN/Ti）、铬/氮化铬/铬（Cr/CrN/Cr）、铜/钛（Cu/T）等等。

引入该过渡层的作用有许多，其一由于过渡层的存在阻碍了碳和基体中促进石墨生长的钴Co的扩散；其二，降低了由于金刚石涂层与硬质合金基体材料间的晶格参数或热膨胀系数不匹配而产生的热应力出现的可能性；其三，该过渡层改善了传统金刚石薄膜与硬质合金基体间的结合强度，它与两种异质材料都能形成具有一定强度的结合键；其四，其能在一定程度上提高金刚石的形核密度（形核 nucleation（也称成核），过冷金属液中生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。）和金刚石薄膜的附着力；最后，过渡层具有稳定的化学性质并且也具有一定的机械强度。

下面介绍几个对于过渡层研究的相关实验。有相关研究人员通过一定的工艺技术用钛（Ti）和氮（N）离子与基体产生大量反应生成TiCN后逐渐减少N离子，使得过渡层含C、N量向表面方向递减，直至最后表面为纯钛。这是为了在表层植晶时，金刚石晶体部分与钛Ti反应生成碳化钛TiC，部分作为沉积金刚石薄膜过程中的籽晶，以此来提高金刚石薄膜与过渡层之间的结合力以及金刚石的形核密度；还有一些研究发现利用TiN以及TiCN作为沉积过渡层，会使得金刚石薄膜纯度较高，但是形核速度较慢。因此，他们尝试直接在硬质合金基体表面沉积一层铝膜，或是沉积一定数量的不连续的金刚石晶粒，从而改善了TiN/TiC和金刚石间热膨胀系数的不平衡，使得金刚石的性和速度和附着力都得到显著的提升；国外相关学者采用等离子脉冲激光熔融法在硬质合金基体表面形成一层氮化硼（BN）膜，其既消除了钴Co所带来的不利影响，又显著地提高了金刚石涂层与硬质合金基体间的附着力。此外，国内学者也在硬质合金上基于铬过渡层沉积CVD金刚石涂层，通过SEM以及光谱分析表明沉积工艺对金刚石的形态和成分有较为显著的影响，并最终的到晶形完整、非金刚石成分较少，与硬质合金基体结合紧密的CVD金刚石涂层。