簡小剛, 黃 卓
(同濟大學(xué), 上海 201804)
金剛石涂層兼具金剛石和薄膜材料的特性,應(yīng)用在硬質(zhì)合金工具上時,既能表現(xiàn)出金剛石的高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性,又能表現(xiàn)出硬質(zhì)合金基體良好的抗沖擊性和強韌性,顯著提高其綜合性能和使用壽命,因而具有極其廣闊的應(yīng)用前景。而阻礙其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一,在于涂層和基底的熱膨脹系數(shù)不同,膜基界面結(jié)合強度較差,涂層易脫落。
粉末冶金孕鑲金剛石鉆頭的胎體里,均勻包鑲有金剛石顆粒,其在成分上與金剛石涂層相同,在化學(xué)氣相沉積金剛石的過程中可以實現(xiàn)同質(zhì)外延生長。另一方面,金剛石顆粒與鉆頭胎體之間的包嵌力,大于硬質(zhì)合金基底和金剛石涂層之間的結(jié)合力。因此,孕鑲金剛石基底同金剛石涂層的膜基界面結(jié)合強度,在理論上有很大的提升空間。
基于此,我們擬在粉末冶金孕鑲金剛石鉆頭基底上制備金剛石涂層,既解決基底和涂層之間膜基界面結(jié)合力差的問題,又提高鉆頭的耐磨性。但是,在現(xiàn)有的研究成果中,鮮有關(guān)于在粉末冶金孕鑲金剛石基底上沉積金剛石涂層的討論。我們借鑒在硬質(zhì)合金基底進行金剛石涂層的沉積技術(shù),在粉末冶金孕鑲金剛石基底上進行CVD金剛石涂層沉積實驗,分析比較其最終的力學(xué)性能,以驗證其可行性。
以市售的YG6硬質(zhì)合金棒以及粉末冶金孕鑲金剛石片為沉積基底,其直徑為12 mm,厚度為2 mm。為準(zhǔn)確標(biāo)定硬質(zhì)合金棒以及孕鑲金剛石基底的材料成分種類,我們對未沉積涂層的基底表面做EDS測試,在圓形試樣表面按照圓周方向均勻取5個測試點,分析其成分組成,其平均結(jié)果如表1所示。
表1 孕鑲金剛石基底與硬質(zhì)合金基底的成分對比
由表1中可以看出:相比于硬質(zhì)合金,孕鑲金剛石中含有一些其他的成分,如Cu、Si等,在化學(xué)氣相沉積過程中,這些元素有利于金剛石涂層的生長。
使用掃描電鏡觀察孕鑲金剛石基底的微觀形貌(圖1),以備后續(xù)對比分析。
圖1 孕鑲金剛石基底的微觀形貌
對2種基底進行預(yù)處理,依次包括機械拋光、酸處理、純水超聲震蕩處理、乙醇超聲處理,然后風(fēng)干、備用[4-9]。機械拋光處理能夠降低金剛石襯底表面的粗糙度,減少位錯,提供良好的金剛石晶面;酸處理能夠去除襯底表面的雜質(zhì),為金剛石生長提供更好的環(huán)境,使外延生長更加平整[10-12]。預(yù)處理的流程如圖2所示,處理后2種基底的表面微觀形貌如圖3所示。
圖2 酸蝕預(yù)處理流程圖
(a)預(yù)處理后的硬質(zhì)合金表面形貌
(b)預(yù)處理后的孕鑲金剛石表面形貌
預(yù)處理酸洗方法只能暫時消除表層的Co,而沉積過程中孕鑲金剛石片溫度升高后,內(nèi)層的Co會沿濃度梯度再次擴散到表層與金剛石發(fā)生反應(yīng)。為消除Co給金剛石沉積過程帶來的不利影響,沉積前處理還包括氫等離子體刻蝕,利用氫氣與金屬鈷發(fā)生反應(yīng)生成易揮發(fā)的鈷的氫化物,進一步去除Co的影響。
使用HF650型熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)設(shè)備進行金剛石涂層的沉積,該設(shè)備的真空系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。用預(yù)處理后的基底進行化學(xué)氣相沉積實驗,沉積實驗過程中的工藝參數(shù)[13-14]如下(氣體流量均以標(biāo)準(zhǔn)狀況計算):甲烷流量3 cm3/min、氫氣流量200 cm3/min、基底溫度830 ℃、沉積氣壓12 kPa、沉積時間6 h。
圖4 HFCVD裝置真空系統(tǒng)示意圖
在2種基底上,采用HFCVD方法得到的涂層表面形貌如圖5所示。由圖5可以看出:相同實驗條件下,相比于硬質(zhì)合金基底上的涂層,孕鑲金剛石基底上的形核率更高、表面更平整、晶粒大小更均勻。
(a)硬質(zhì)合金基底上沉積金剛石的形貌
(b)孕鑲金剛石基底上沉積金剛石的形貌
為測試2種基底上沉積出的金剛石涂層的質(zhì)量以及涂層內(nèi)應(yīng)力的大小,使用拉曼光譜儀進行檢測,其結(jié)果分別如圖6、圖7所示。內(nèi)應(yīng)力計算公式為:
σ=P(υ-υ0)
(1)
式中:σ為內(nèi)應(yīng)力大??;P為常數(shù),取-0.567 GPa;υ0=1332 cm-1,υ為拉曼光譜中的測量峰位置。
圖6 硬質(zhì)合金基底上金剛石涂層的拉曼光譜
從圖6中可以看出:硬質(zhì)合金基底上沉積的涂層,其在1 334.07 cm-1處的金剛石峰比天然金剛石的特征峰(1 332 cm-1)向右偏移,說明涂層中存在壓應(yīng)力。而根據(jù)公式(1)計算得到應(yīng)力大小為1.17 GPa;另一方面,G峰(1 580 cm-1)的存在也說明了金剛石涂層不純,含有結(jié)晶不良的石墨和非晶碳成分。
圖7 孕鑲金剛石基底上金剛石涂層的拉曼光譜
從圖7中可以看出:孕鑲金剛石基底上沉積的涂層,其金剛石特征峰在1 333.333 cm-1處,比天然金剛石的特征峰有輕微偏移,通過公式(1),計算得到應(yīng)力大小為0.76 GPa;另一方面,其金剛石特征峰比較尖銳,且沒有明顯的G峰,說明涂層中金剛石純度較高、涂層質(zhì)量較好。
在2種涂層表面分別施加1470 N的壓力,然后用SEM觀察涂層表面的微觀形貌,其結(jié)果如圖8所示。
(a)硬質(zhì)合金基底上的涂層壓痕(b)孕鑲金剛石基底上的涂層壓痕圖8 金剛石涂層壓痕圖
由圖8可以看出:硬質(zhì)合金基底上的金剛石涂層,其壓坑周圍存在明顯的涂層剝落現(xiàn)象;孕鑲金剛石基底上的金剛石涂層,其壓坑周圍沒有出現(xiàn)涂層剝落現(xiàn)象,金剛石顆粒完整。這說明孕鑲金剛石基底與金剛石涂層的結(jié)合力優(yōu)于硬質(zhì)合金基底與金剛石涂層的結(jié)合力。
在相同沉積條件下,分別在硬質(zhì)合金基底和孕鑲金剛石基底的表面上沉積金剛石涂層,并進行掃描觀測和壓痕實驗。發(fā)現(xiàn):
在相同工藝條件下,在孕鑲金剛石基底上可以沉積出質(zhì)量更高的金剛石涂層,其金剛石形核率高、晶形大小均勻、涂層表面平整,且膜基界面的結(jié)合力更高。
此發(fā)現(xiàn)將有助于提高金剛石涂層的應(yīng)用范圍,并極大提高鉆頭的壽命,降低使用成本。
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