以Cr/CrSiN膜為過(guò)渡層在高鈷硬質(zhì)合金表面沉積金剛石薄膜

潘秋麗　張榮良

關(guān)鍵詞 金剛石薄膜；硬質(zhì)合金；結(jié)合力；應(yīng)力

中圖分類號(hào) TQ164; TG70 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）06-0698-06

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0004

收稿日期 2023-01-04 修回日期 2023-01-17

與普通硬質(zhì)合金相比，高鈷硬質(zhì)合金（Co 質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%）具有更高的韌性和抗沖擊性能，適合于制作難加工金屬的刀具[1] 和復(fù)雜受力的拉絲模具等產(chǎn)品[2]。而金剛石具有極高的硬度、優(yōu)異的耐磨性和低的摩擦系數(shù)[3]。如果將金剛石以薄膜形式沉積在高鈷硬質(zhì)合金表面，則可以進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金的硬度、摩擦磨損性能等，延長(zhǎng)高鈷硬質(zhì)合金刀、模具的使用壽命，有望在難加工零件或型材用高端刀、模具方面獲得應(yīng)用。因此，研究在高鈷硬質(zhì)合金表面沉積金剛石薄膜具有重要的意義。

然而，直接在高鈷硬質(zhì)合金表面沉積金剛石薄膜存在結(jié)合力差等問(wèn)題。其原因主要是：（1）因Co 催化sp²碳的形成，導(dǎo)致膜基界面結(jié)合力差；（2）由于金剛石和硬質(zhì)合金存在較大的熱膨脹系數(shù)差（金剛石的熱膨脹系數(shù)為1 × 10^?6K^?1，硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)為6 × 10^?6K^?1），在HFCVD 沉積金剛石薄膜的降溫過(guò)程中會(huì)形成大的熱應(yīng)力，易導(dǎo)致薄膜脫落[4]。

目前，解決膜基結(jié)合力差問(wèn)題的方法主要有化學(xué)腐蝕法[5]、熱處理法[6] 和過(guò)渡層方法[7]。化學(xué)腐蝕法的原理是通過(guò)酸堿腐蝕去除硬質(zhì)合金表層的Co 元素，來(lái)解決Co 的催化作用使金剛石石墨化的問(wèn)題。采用此方法能在低Co 含量硬質(zhì)合金（Co 質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜6%）表面制備出結(jié)合力較好的金剛石薄膜。當(dāng)硬質(zhì)合金中Co 含量提高時(shí)，因基體中的Co 更容易往外擴(kuò)散和表面Co難以完全消除等原因，在硬質(zhì)合金表面難以獲得高結(jié)合力的金剛石薄膜。熱處理法的原理是利用脈沖激光或其他熱源使硬質(zhì)合金表層形貌和成分發(fā)生變化，然后再對(duì)表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕處理去除Co 的影響。同樣地，當(dāng)硬質(zhì)合金中Co 含量提高時(shí)，該方法存在與化學(xué)腐蝕法一樣的問(wèn)題，以此方法制備的金剛石膜結(jié)合力差。過(guò)渡層法是通過(guò)引入過(guò)渡層阻礙Co 往外擴(kuò)散，提高薄膜的結(jié)合力。目前研究的過(guò)渡層有Cr[8]、Ta[8]、CrN[9]、SiC[10] 和TiAlN[11] 等。采用這些過(guò)渡層可以在低Co 硬質(zhì)合金上制備出結(jié)合力較好的金剛石薄膜，但在高Co 硬質(zhì)合金上制備的金剛石薄膜結(jié)合力仍然不能滿足實(shí)際要求。……