本文通過對CVD沉積工藝的研究，分析了不同工藝條件對金剛石薄膜性能的影響，探討了在WC-Co硬質合金基體上沉積高附著強度、低粗糙度金剛石薄膜的新工藝，對於改善金剛石薄膜塗層刀具性能具有很重要的意義。
金剛石因具有極高的硬度、高導熱性、低摩擦係數和低熱膨脹係數等優異性能已成為理想的刀具材料。CVD金剛石薄膜塗層刀具則是在刀具基體上直接沉積金剛石薄膜，因而適用於製造複雜形狀的刀具。
然而，歷來被視為珍寶的天然金剛石的含量甚少，且價格昂貴，滿足不了社會的需求。為此，人們開始不斷地對人工製備金剛石的工藝進行深入地研究。從1970年前蘇聯學者Deryagin等人在低溫低壓條件下用化學氣相沉積法（CVD）方法實現由石墨到金剛石的轉變，到80年代初日本學者Setaka等人首次用熱絲CVD法生長出金剛石薄膜，從而引起全球金剛石膜熱的現象，均顯示CVD金剛石膜的實用價值，並為金剛石材料的進一步發展和應用開拓了更為廣闊的天地。
熱絲化學氣相沉積法製備金剛石薄膜塗層刀具
人工製備金剛石薄膜塗層刀具的方法有多種，如熱絲法、微波法、火焰燃燒法和等離子體法等等。其中一直被業內人士廣為推崇的熱絲化學氣相沉積（HFCVD）法是通過被加熱到2,000℃~2,400℃左右的熱絲（一般為鉭絲或鎢絲）分解含碳的氣體（甲烷、乙醇或者丙酮）形成碳活性粒子，這些碳活性粒子在氫原子的刻蝕作用下合成為金剛石結構。在金剛石薄膜沉積過程中，熱絲和刀具基體之間的位置排布方式如圖1所示。反應源包括碳源氣體（如丙酮，甲烷等）、氫氣以及輔助氣體（如氧氣、氬氣、氮氣等），碳源氣體的體積含量一般為幾個百分比，它被加熱后將產生碳活性粒子。同時，氫氣分解得到的活性氫原子基團能夠刻蝕石墨，防止金剛石成分向石墨成分轉變。
圖1用於製備整體式刀具的熱絲排布方式然而，在實際應用中，金剛石薄膜與刀具基體之間結合強度低是導致刀具非正常失效的主要因素，並成為金剛石薄膜塗層刀具實現產業化的主要障礙。特別對於WC-Co硬質合金刀具基體，由於Co的催石墨化作用以及硬質合金與金剛石薄膜熱膨脹係數差異，一般情況下很難在未經處理的刀具基體上沉積出高品質的金剛石薄膜。在沉積金剛石薄膜前，通常採用「酸鹼兩步法」對硬質合金基體進行預處理，來消除鈷粘接相的不利影響，從而提高金剛石薄膜的成核密度，改善薄膜與襯底之間的附著力。
改善金剛石薄膜塗層刀具性能的新工藝
一直以來，由於金剛石薄膜與硬質合金襯底之間的附著力較低以及塗層表面粗糙等問題一直沒有得到徹底解決。因此，國內外學者一直以來競相投入大量的資金與精力對金剛石薄膜進行研究，從而開發出一些區別於「酸鹼兩步法」的新型改善金剛石薄膜塗層刀具性能的工藝。
新型複合預處理工藝
CVD金剛石薄膜塗層刀具的性能與製備條件密切相關，本文從產業化角度研究了提高塗層附著力的Ar-H2微波等離子脫碳還原的的新型複合預處理工藝。
該新型複合預處理工藝該是用稀鹽酸浸泡硬質合金刀具基體，並滴加少量的腐蝕促進劑，以去除表層的鈷，再用金剛石研磨膏研磨基體表面。隨後在微波CVD設備中對基體表面進行等離子刻蝕脫碳處理，微波功率200W，刻蝕時間15min，最後用含金剛石粉末的乙醇懸浮液超聲處理後置入反應室。薄膜沉積設備為偏壓增強的熱絲CVD裝置，反應氣體採用丙酮和氫氣，丙酮的體積比為1%~3%，反應壓力為2-8kPa，熱燈絲為鉭絲，溫度約為2,200℃，偏流為0.1-0.3A，基體表面溫度為700-850℃，燈絲與基體距離5mm，沉積時間5h，得到的塗層厚度為5~15μm。
圖2是採用傳統「酸鹼兩步法」預處理和新型複合預處理條件下，金剛石塗層表面和壓痕的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，微波等離子脫碳還原的的新型複合預處理工藝可有效增大金剛石薄膜的晶粒尺寸。由壓痕對比圖可知，在未經脫碳還原處理的基體與金剛石膜層之間，基體內組織疏鬆，而且缺陷較多，金剛石膜與襯底表面的結合不緻密，膜的附著力差。而在脫碳還原處理基體后，基體表面WC晶粒與金剛石膜接觸面相互鑲嵌形成緻密的結合。在金剛石和基體之間形成自然過渡層，既可有效的阻擋金剛石生長過程中深層鈷向表面的擴散，又可使金剛石晶粒嵌入到WC晶界之中，增大了金剛石和基體間的接觸面積，從而提高金剛石薄膜與基體之間的附著力。脫碳還原的效果越好，金剛石薄膜與襯底結合越緻密，附著性能越好。
圖2 傳統「酸鹼兩步法」和新型複合預處理得到的金剛石薄膜表面和壓痕對比電鏡圖硼摻雜CVD金剛石薄膜沉積工藝
在對CVD金剛石薄膜塗層刀具的產業化研究過程中，眾多學者發現硼摻雜也能夠有效地降低CVD金剛石薄膜晶粒尺寸，提高薄膜與基體之間的附著強度。北京科技大學的呂反修等人研究了固體粉末滲硼並酸鹼兩步預處理后硬質合金基體的表面組織、形貌、粗糙度等，並在處理過的硬質合金基體上用強電流直流伸展電弧等離子體CVD法沉積微晶金剛石薄膜塗層。研究結果表明，金剛石塗層刀具的切削性能明顯優於無塗層硬質合金刀具。中科院的王建華等人利用H2-NH3-B2O3等離子對WC-Co硬質合金刀具基體表面進行硼氮共滲預處理2小時，然後採用微波等離子CVD方法製備了金剛石薄膜。結果表明等離子硼氮共滲預處理后所製備的金剛石薄膜具有較高的品質。NH3引入H2-B2O3等離子中可以有效的阻止硼氮共滲預處理時等離子對鈷的刻蝕，確保了硬質合金基體具有較好的機械強度。同時硼氮共滲預處理可以固化基體表面的鈷元素，形成鈷的化合物，避免鈷的催石墨化作用。硼摻雜不僅能夠有效降低CVD金剛石薄膜晶粒尺寸，提高薄膜與基體之間的附著強度，還可以細化金剛石薄膜塗層刀具表面金剛石薄膜晶粒、降低薄膜的表面粗糙度，對於金剛石塗層工具在精密、高速加工領域的應用具有十分重要的意義。
CVD納米複合金剛石薄膜沉積工藝
CVD金剛石薄膜塗層刀具在切削加工石墨、高硅鋁合金、鋁基複合材料、工程陶瓷、纖維增強塑膠等難加工材料時顯示出廣闊的應用前景。在切削過程中，為使工件表面具有較好的光潔度，客觀上要求刀具表面應具有較小的表面粗糙度，以減少摩擦和刀具磨損，因此，在保證金剛石薄膜與刀具襯底之間的附著力前提條件下，在某些應用中，金剛石薄膜塗層刀具的表面粗糙度就成為影響切削性能和保證加工精度的關鍵因素。
許多研究者致力於改善常規金剛石薄膜的表面粗糙度和研究金剛石後續拋光技術。但是金剛石薄膜硬度高，且切削刀具形狀複雜，不利於後續拋光。因此，直接在刀具基體表面沉積一層表面粗糙度小的納米金剛石塗層技術應運而生。納米金剛石薄膜晶粒非常細小，可達7~10nm，甚至更小(2~6nm)，比常規金剛石薄膜小兩個數量級以上；表面光滑，薄膜摩擦係數很小，可達0.03。而對於熱絲CVD沉積的金剛石薄膜，沉積工藝條件（如碳源濃度、反應壓力等參數）對金剛石薄膜的品質和形貌、薄膜與襯底間的附著力以及薄膜表面的粗糙度有顯著影響。常規金剛石膜雖有良好的附著強度，但表面較粗糙；而晶粒細小、結晶性較差的納米金剛石多晶膜則表面光滑，但相較常規金剛石薄膜，納米金剛石薄膜與基體間的機械咬合作用較差，附著力不高。
CVD納米複合塗層新工藝是通過控制CVD塗層工藝參數，在沉積初期和中期生長一層5~1μm厚的常規金剛石薄膜，而在後期繼續原位沉積一層約5μm厚的納米金剛石薄膜。這不僅可以減小金剛石薄膜的表面粗糙度，還可以保證金剛石薄膜與基體間的附著力和刀具的切削性能。形成納米金剛石塗層的主要機理是，當碳源（丙酮）濃度增加時，勢必會降低氫濃度，基體表面大量吸附碳氫基團。由於沒有足夠多的H原子對其刻蝕，非金剛石相碳成分就會相應增加。而金剛石薄膜中這些成分的增加會逐漸改變其三角形（111）面結構的晶粒原貌，向球形晶粒結構轉變。這時由於金剛石按sp3鍵結合的生長過程容易形成缺陷，再加上反應氣體壓力降低，H、OH、CH3、C2H2等活性粒子的自由形成行程較長，具有較大的能量，促進二次成核的不斷發生，因此晶粒變細，薄膜表面平坦光滑。
在CVD沉積後期採用同時升高碳源濃度和降低反應壓力以得到納米金剛石複合塗層的新工藝是減小金剛石薄膜表面粗糙度有效方法，對於提高金剛石薄膜塗層刀具的耐用度和改善切削性能有顯著效果。圖3所示為納米複合和微米金剛石塗層鑽頭鑽削碳纖維複合材料（CFRP）的加工效果對比圖。由於納米複合金剛石塗層的表面粗糙度小，在鑽削CFRP時的摩擦力小，因此鑽削性能明顯改善，加工孔品質好，鑽頭壽命顯著延長。
圖3硬質合金基體預處理前後效果對比結語
金剛石薄膜在不久的將來會在各個重要領域產生重要影響。並且隨著金剛石薄膜塗層刀具膜-基附著力工藝研究的深入和金剛石薄膜光潔度的提高，金剛石塗層刀具切削技術將會達到高品質、低成本、低溫度、大面積的要求，也將會在機械加工中發揮越來越重要的作用。
