1.引言
金剛石具有優異的物理、化學性質，在自然界所有物質中具有最高的硬度、室溫下有最高的熱導率，同時具有極低的熱膨脹係數、低摩擦係數、良好的化學穩定性、大的禁帶寬度（5.5eV）、最高的聲傳播速度、較高的半導體摻雜性以及從遠紅外光區到紫外光區的光學透過性，如此眾多的優異性能使得其在機械加工、微電子、光學等許多領域有著廣闊的應用前景。
然而自然界中天然金剛石數量極少，通過高溫高壓合成的人造金剛石由於受粒度限制且價格昂貴，使得具有優異性能的金剛石難以廣泛應用於實際生產。1982年，Matsumto等人使用化學氣相沉積法（CVD）製備出了金剛石膜，為金剛石的應用開闢了新的途徑，從而在全世界範圍內掀起了CVD金剛石膜研究熱潮。目前我國也加大了對金剛石膜的研究投資力度，有多家研究單位投入了大量的人力、物力進行金剛石膜的開發和應用研究。根據國內技術發展現狀和經濟發展特點，金剛石薄膜塗層工具、金剛石熱沉基片、場發射顯示器件、聲表面波器件及納米金剛石膜的應用將有望陸續進入市場。其中，利用金剛石的高硬度、高導熱性、低摩擦係數等優異特性，將金剛石薄膜塗層用於製作簡單的可轉位刀片和複雜形狀的刀具，可解決有色金屬及其合金和高耐磨複合材料等的加工難題。因此，CVD金剛石薄膜塗層工具在切削加工領域具有廣闊的應用前景。
2.金剛石膜CVD製備方法與品質評價
2.1 金剛石膜CVD製備方法
目前，採用CVD合成金剛石膜的方法有很多種，主要包括：熱絲CVD法、電子加速CVD法、直流放電等離子體CVD法、直流等離子體噴射CVD法、微波等離子體CVD法、電子迴旋共振CVD法、高頻等離子體CVD法、燃焰法、激光誘導CVD法、空心陰極等離子體CVD法等。在各種CVD方法中綜合指標較好的是被研究單位廣泛採用的微波CVD法和熱絲CVD法。
2.2 金剛石膜品質評價方法
目前常用的金剛石膜品質檢測手段有：①用Raman光譜測量薄膜結構、純度和膜內應力狀況。其結果若相對於天然金剛石1332/cm特徵峰向低波數方向移動，表明金剛石內應力為張應力；反之，表明膜內應力為壓應力。②用X射線衍射分析薄膜層金剛石的晶面結構。③用掃描電鏡觀察薄膜表面形貌、成核速率和生長速度。④用紅外光譜分析薄膜紅外透過率。⑤用壓痕法測定膜基界面結合力（膜基界面結合力是金剛石薄膜工具性能的重要評價指標）.最近的研究結果表明，用鼓泡法測量金剛石膜的彈性模量、泊松比、殘餘應力等，是一種非常有前途的測量金剛石薄膜力學性能的方法。
3.CVD金剛石薄膜塗層工具研究概況
3.1 CVD金剛石薄膜塗層工具襯底預處理技術
理想的刀具材料應具有極好的耐磨性，以延長刀具的使用壽命；具有高斷裂韌性，以便承受高切削力。但大多數具有較好斷裂韌性的刀具材料（如高速鋼）通常不具備很好的耐磨性，而具有良好耐磨性的材料（如陶瓷材料）往往斷裂韌性又不好。由於硬質合金（WC-Co）材料既有良好的耐磨性又有較高的斷裂韌性，因此是國內外普遍採用的CVD金剛石薄膜塗層工具的襯底材料。但由於金剛石薄膜和硬質合金的熱膨脹係數相差較大，使得沉積后膜基結合力較差，而且硬質合金中粘結相Co在沉積過程中起到了促石墨化作用，對金剛石成核有抑制作用。為了提高硬質合金工具表面金剛石膜的沉積質量，必須對襯底表面進行適當預處理（常用硬質塗層材料和襯底的力學及熱學特性見表1）.
表1.常用硬質塗層材料和襯底的力學及熱學特性
材料-熔點或分解溫度（℃）-HV硬度（MPa）-楊氏模量（KN/mm2）-熱膨脹係數（10-6/K）-熱導率（W/m.K）
金剛石-3800-80000-1050-1.3-1100
Cu-1084-/-98-16.6-386
Si-1420-/-/-2.5-84
WC-2776-23000-720-4.0-35
Al2O3-2047-21000-400-6.5-25
SiC-2760-26000-480-5.3-84
Si3N4-1900-17000-310-2.5-17
TiC-3067-28000-460-8.3-34
TiN-2950-21000-590-9.3-30
目前普遍採用的襯底表面預處理方法有：①表面脫Co處理：採用HCl、HNO3、H2SO4等對襯底表面層中的Co進行酸蝕處理；採用氫等離子體或含氧的氫等離子體刻蝕Co;採用化學試劑鈍化等方法使襯底表面層中的Co失去活性；採用化學反應置換Co,將硬質合金襯底刀具放入化學試劑中，利用置換反應將表面層中的Co置換成其它物質（如Cu）。
②在金剛石薄膜與襯底之間預沉積中間過渡層，這些過渡層應滿足熱膨脹係數適中、化學性質穩定、與硬質合金和金剛石均有較好結合力、可以與Co反應生成穩定化合物等要求。目前普遍採用的過渡層材料有：Ti、B、TiC、TiN、Cu等；複合過渡層：WC/W、TiN/TiCN/TiN、TiCN/Ti等。由於中間過渡層的存在，可以消除金剛石膜與硬質合金襯底間晶格失配、熱膨脹係數差異造成的內應力，並可防止碳在沉積過程中過度滲入基底或Co從襯底深處向表面擴散，從而增強成核密度及附著力。③表面植晶處理。用含金剛石微粉的懸浮液（如丙酮）對硬質合金襯底表面進行超聲處理或將納米級金剛石微粉通過丙酮均勻散佈於襯底表面，然後用激光迅速加熱，使金剛石微粉嵌入表層粘結相，均可提高成核密度。此外，表面化學清洗、液體超聲清洗、氫等離子體轟擊也是襯底預處理的基本手段。R.Bichle等發現：Co含量在3%～10%的範圍內時，金剛石膜形核率隨著Co含量的增加而下降；當Co含量超過6%時，形核率最低。研究結果表明，採用適當的二步浸蝕法工藝，即先用Murakami劑浸蝕WC相，再用酸浸蝕除去Co相的方法具有良好的除Co效果。
3.2 金剛石膜結構對工具性能的影響
國內外多家研究機構進行了採用硬質合金基體製作簡單可轉位刀片的研究並且進行了車削試驗。研究表明：金剛石薄膜塗層刀具的附著強度隨塗層厚度的增加而下降。以WC-1.5%Co硬質合金為基體的金剛石薄膜塗層刀具，塗層厚度在5～10μm範圍內時，附著強度隨塗層厚度的增加而下降的趨勢並不十分明顯；當塗層厚度超過10μm后，附著強度隨塗層厚度的增加而顯著下降。因此，從提高附著強度的角度考慮，金剛石薄膜塗層刀具的塗層厚度不宜超過10μm.另據報道，用CVD法在硬質合金基體表面上製備的金剛石薄膜凹凸不平，通常表面粗糙度為Ry4～10μm,鍍有金剛石薄膜的切削刀具在加工鋁合金時其表面形狀會影響到被加工表面的粗糙度，難以獲得精加工所期待的表面光潔度。日本OSG公司研製開發了超微細結晶金剛石薄膜硬質合金刀具，經切削試驗具有良好的抗粘著性、較高的加工精度、耐用度和薄膜韌性，已大量用於OSG公司開發的金剛石塗層切削工具並且受到用戶青睞。孫方宏等用熱絲CVD法在沉積後期採用同時升高碳源濃度和降低反應壓力而使金剛石膜平坦化的新工藝，在WC-Co6%硬質合金（YG6）上在沉積初期和中期生長一層10～15μm厚的表面光滑金剛石膜，車削加工試驗表明，該塗層刀具的使用壽命和切削性能都有明顯改善。
CVD金剛石薄膜塗層刀具切削高硅鋁合金的主要磨損、破損失效形式有磨粒磨損、金剛石膜開裂、剝落。磨粒磨損主要是工件材料中硬質點Si顆粒的"微切削"作用所致。早期金剛石膜剝落主要是金剛石膜與基體間結合強度不足，脫鈷層深度過大、基體強度低所致；而切削力、切削熱衝擊作用是引起中、後期金剛石膜剝落的主要原因。不同基體材料金剛石膜塗層刀具附著強度不同，用燃焰法在W、WC-1.5%Co、WC-3%Co、WC-6%Co基體上製備的刀具進行斷續切削試驗表明：WC-1.5%Co基體刀具附著強度較高，而WC-3%Co和WC-6%Co基體刀具附著強度較低。用熱絲CVD法在硬質合金和Si3N4陶瓷刀具表面沉積金剛石膜，結果表明：Si3N4陶瓷上沉積金剛石膜的結合強度遠大於硬質合金上金剛石膜的結合強度，這是由於硬質合金表面容易生成石墨、WC等鬆散層，降低膜基結合性能，金剛石膜易直接以剝落形式失效；而Si3N4陶瓷襯底的膜基界面有可能形成SiC過渡層，可顯著增強膜的結合強度。不過在壓應力作用下，Si3N4陶瓷襯底上金剛石膜會以產生裂紋及裂紋擴展的方式失效。
3.3 CVD金剛石薄膜塗層鑽頭的製備
與陶瓷相比，硬質合金的韌性較好而且較易加工成形狀複雜的刀具，因此被用作主要的沉積金剛石薄膜塗層鑽頭的基體材料。上海交通大學陳明等在硬質合金YG6鑽頭上沉積金剛石薄膜，鑽頭直徑分別為φ2mm、φ3mm、φ4mm、φ6mm,工件材料為SiC顆粒增強鋁基複合材料（35Vol%SiC,14μm），鑽頭轉速為1400～9000r/min,金剛石沉積設備為EACVD,反應氣體為丙酮和氫氣。基體預處理採用氧化處理，即將鑽頭置於CO2氣氛的微波等離子體設備中，使刀具襯底表面的WC及Co元素髮生氧化反應，由於氧化速度不同，WC顆粒間的粘結相Co被快速氧化，隨著氧化物的去除（加入鹼溶液以去除鑽頭表面W及Co的氧化物），刀具襯底表面WC顆粒裸露明顯，從而達到增大表面粗糙度的目的，有利於金剛石的成核和初期生長。切削加工試驗表明：在刀具襯底表面粗化處理中，氧化處理方法適用於複雜形狀刀具，可保證刀刃完好，且便於批量生產，是一種很有發展前途的刀具襯底預處理方法；在CVD沉積金剛石過程中，添加適量粘結促進劑可顯著提高金剛石薄膜附著力，從而提高刀具壽命；CVD塗層工藝適用於製備直徑φ4mm及以上的旋轉體複雜形狀金剛石薄膜塗層刀具。
3.4 刀具幾何形狀對金剛石薄膜塗層工具性能的影響
金剛石薄膜的剝落不僅與其在刀具基體上的附著強度有關，而且與刀具的幾何參數有關。研究表明：刀尖圓弧半徑是影響切削力變化和切削區散熱條件的重要幾何參數，在刀具基體材料、表面預處理、沉積工藝及塗層厚度一定的條件下，刀尖圓弧半徑對切削過程中金剛石薄膜的剝落具有重要影響。金剛石薄膜塗層刀具的耐衝擊性隨刀尖圓弧半徑的增大而提高，但刀尖圓弧半徑大於1.5mm時，刀具耐衝擊性則下降。在切削系統剛度足夠的條件下，適當加大刀尖圓弧半徑可有效提高金剛石薄膜塗層刀具的耐衝擊性。日本Hanyu等研究了用於切削高硅鋁合金的金剛石塗層鑽頭，結果表明：通過改變鑽頭切削刃形狀和塗層厚度，可以優化鑽頭結構從而提高切削效果。在鑽頭旋轉過程中，作用於刀刃上的機械載荷隨著刃傾角的增大而減小，而且同時隨著刃傾角的增大切削載荷也趨於集中在刀刃尖部，這導致塗層上的局部應力集中。試驗表明：刃傾角為20°時金剛石塗層鑽頭顯示出最好的切削效果。
4.結語
綜上所述，影響CVD金剛石薄膜工具質量的因素有襯底材料、襯底預處理方法、工具基體形狀等，各方面因素對金剛石薄膜工具的切削性能及壽命都有密切關係。
