强直电流伸展弧CVD硬质合金金刚石涂层工具

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2003.03.041 第25卷第3期 北京科技大学学报 Vol.25 No.3 2003年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2003 强直电流伸展弧CVD硬质合金 金刚石涂层工具 宋建华苗晋琦张恒大唐伟忠 吕反修 田晶泽 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用自行研制的强电流直流扩展电弧设备对酸浸和渗硼预处理的YG6刀片进行 了金刚石薄膜涂层沉积，并对放于不同位置的沉积刀片表面涂层的激光Raman谱和SEM形 貌进行了分析、研究.结果表明：渗硼预处理工艺优于酸浸预处理工艺；在渗疆处理的GY6刀 片上，沉积的金刚石薄膜涂层具有大面积、均匀性好和质量高的特点. 关键词强电流直流扩展电弧；大面积；均匀性；金刚石涂层 分类号TG174.442 近年来，金刚石涂层工具在国外取得了较大 木碳的混合物，工艺参数1000℃×4h 进展，某些公司已实现了涂层工具的产业化.如 1.2实验设备 美国开发的MODEL600工具涂层沉积设备，一 图1为笔者自行研制的强电流直流扩展电弧 次可沉积400个铣削工具；德国新近研制的 等离子体CVD设备原理图.从图中可以看出，该 CC800大腔体工具热丝金刚石涂层装置，一次可 设备的沉积气源一氢气和甲烷在高能的等离 同时对多排钻头进行涂层沉积；瑞典开发了 子体束中被离解成H原子和各种含炭基团并沿 BA-730沉积设备，等等.国内在这方面的研究 半径方向扩散到工件表面.与此同时，原子氢在 进展仍停留在单腔室、单片沉积的水平上，制约 工件表面的再聚合释放出巨大的能量，这些能量 了我国涂层工具产业化的发展.为此本文研制、 能在很短的时间内将工件加热到800℃，温度的 开发了新型强电流直流扩展电弧等离子体CVD 恒定就是靠此能量的加热与工件的自身散热来 设备，使单腔体可同时沉积64个工件，且能保证 维持，不需要额外的加热和冷却装置. 硬质合金刚石涂层工具具有大面积、高质量、均 为了考察不同位置金刚石膜的质量，将酸浸 匀性好的特点 和渗硼处理的硬质合金刀片相向对应放于图1 所示的A,B两个不同高度处 1实验材料、设备及方法 Ar 阴极 11实验材料与预处理 实验材料为YG6机夹可转换车刀刀片.为了 H:CH 工件架 在该设备上实施沉积工艺，以得到大面积、均匀 化、高质量的金刚石薄膜涂层工具，对YG6硬质 聚焦线圈 合金刀片分别进行了两种预备处理.(1)酸浸 工艺：将工件放人配比为HNO,:HCI:H,O= 1:1:1的溶液中80℃恒温1Smin(2)固体渗硼 工艺：采用的渗硼剂为B,C+SiC+KBF,+活性碳+ 阳极 二。抽真空 收稿日期2002-0508宋建华男，36岁，博士研究生 图1强电流直流扩展弧等离子体CVD设备 *国家“九五”重大项目(No.863-715-Z38-03) Fig.1 High current extended DC arc plasma CVD system

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 强直 电流伸展弧 硬质合金 金刚石涂层 工具 宋 建 华 苗 晋 琦 张 恒 大 唐 伟 忠 吕 反修 田 晶 泽 北 京 科技大学 材料科学 与工程 学 院 ， 北京 摘 要 采 用 自行研制 的强 电流 直流 扩展 电弧 设备对 酸浸 和 渗硼 预 处 理 的 刀 片进行 了金 刚石 薄膜涂层 沉积 ， 并对 放 于 不 同位 置 的沉积 刀 片 表面 涂 层 的激光 谱和 形 貌进行 了分析 、 研究 结果表 明 渗硼 预处理 工 艺 优 于 酸浸 预处理工艺 在渗 硼 处 理 的 刀 片上 ， 沉积 的金 刚石薄膜涂层 具有 大面 积 、 均 匀 性好 和 质量 高 的特点 关键词 强 电流直流扩展 电弧 大 面积 均匀 性 金 刚石 涂层 分类 号 近 年来 ， 金 刚石 涂 层 工具 在 国外取得 了较 大 进 展 ， 某 些 公 司 已 实 现 了涂 层 工 具 的产 业 化 如 美 国开发 的 芍 工 具 涂层 沉 积 设备 ， 一 次 可 沉 积 个 铣 削 工 具 德 国 新 近 研 制 的 大 腔 体工 具 热丝 金 刚石 涂 层 装 置 ， 一 次 可 同 时 对 多 排 钻 头 进 行 涂 层 沉 积 瑞 典 开 发 了 一 沉 积设备 ， 等等 国 内在 这 方 面 的研 究 进 展 仍停 留在 单腔 室 、 单 片 沉 积 的水 平 上 ， 制 约 了我 国涂层 工 具产业 化 的发 展 为 此本 文 研制 、 开 发 了新 型 强 电流 直流 扩 展 电弧 等离 子体 设备 ， 使单 腔 体可 同时沉 积 个工 件 ， 且 能保 证 硬质 合金 刚石 涂层 工 具具 有 大 面 积 、 高质 量 、 均 匀 性好 的特点 木 碳 的混 合 物 ， 工 艺 参数 ℃ “ 实 验 设 备 图 为笔者 自行研制 的强 电流直 流扩展 电弧 等离 子 体 设备 原 理 图 从 图 中可 以 看 出 ， 该 设 备 的 沉 积 气 源 — 氢 气 和 甲烷 在 高能 的 等离 子 体束 中被 离解 成 原 子 和 各种 含 炭基 团并 沿 半 径 方 向扩 散 到 工 件表 面 与此 同时 ， 原 子 氢在 工 件 表 面 的再聚合 释放 出 巨 大 的能量 ， 这些 能量 能 在 很 短 的 时 间 内将 工 件 加 热 到 ℃ ， 温 度 的 恒定 就 是 靠 此 能 量 的加 热 与 工 件 的 自身 散热来 维 持 ， 不 需 要 额 外 的加 热 和 冷却装置 为 了考察不 同位置金 刚石 膜 的质 量 ， 将酸浸 和 渗 硼 处 理 的硬 质 合 金 刀 片 相 向对应 放 于 图 所 示 的 ， 两 个 不 同高度 处 实 验材 料 、 设 备及 方 法 实 验 材 料 与预 处 理 实验材料为 机 夹 可转换车刀 刀 片 为 了 在 该设备上 实施 沉 积工 艺 ， 以得 到 大 面积 、 均 匀 化 、 高质 量 的金 刚石 薄膜 涂层 工 具 ， 对 硬 质 合 金 刀 片 分别 进 行 了 两 种 预 备 处 理 酸 浸 工 艺 将 工 件 放 人 配 比 为 ， 二 的溶液 中 ℃ 恒 温 巧 固体渗 硼 工 艺 采用 的渗硼 剂 为 活 性 碳 工件架 聚焦线圈 抽真空 ‘ 一一 一一 一 收 稿 日期 刁 刁 宋 建华 男 ， 岁 ， 博士 研究 生 国 家 “ 九五 ” 重 大项 目 仓 一 一 图 强 电流 直 流 扩 展 弧 等离子体 设 备 DOI ：10．13374／j ．issn1001—53x．2003．03．041

Vol.25 No.3 宋建华等：强直电流伸展弧CVD硬质合金金刚石涂层工具 249 2实验结果及分析 石沉积过程中，仍存在钴的不良影响 从图3渗硼预处理一组的试样看，放于A、B 图2和图3分别是经酸浸及渗硼预处理并置 两高度处沉积的金刚石刀片的拉曼谱其特征峰 于A,B两高度处沉积刀片的Raman和SEM图. 较为尖锐，非金刚石特征峰比较平缓.金刚石的 从图2中可以看出，酸浸处理刀片的拉曼谱 组织形貌较好，晶形也较为理想.这就是说，在利 金刚石特征峰虽较为尖锐，但有非晶炭存在.而 用该设备对渗硼处理的硬质合金刀片进行CVD 且，这种预处理刀片沉积的金刚石形貌多为菜花 沉积时，其金刚石涂层质量较高，并具有均匀性 状，晶形不理想.这说明，酸浸处理的刀片在金刚 沉积的特点.原因是(1)渗硼预处理刀片的渗硼 19 18 (a) (b) 17 16 14 13 12 13 14 15 16 波数/(102cm) 10外州 04 000 15( 10 11 12 13141516 1718 波数/(102cm) 000 图2酸浸处理刀片表面CVD金刚石Raman谱和SEM照片.a)b)A位置，(c)(d)B位置 Fig.2 Raman spectra and SEM photos of diamond coating cutters after acid pretreatment 15 (a 14 12 10 8 11 12 1314 151617 18 波数/(102cm) 50 (c) 0期 40 13 14 15 16 波数/(102cm) 4 图3渗硼处理刀片表面CVD金刚石Raman谱和SEM照片.(a)b)A位置，(c)(d)B位置 Fig.3 Raman spectra and SEM photos of diamond coating cutters after acid pretreatment

一 宋 建华 等 强 直 电流 伸 展 弧 硬 质合 金 金 刚石 涂层 工 具 实 验 结 果 及 分 析 图 和 图 分别 是经 酸浸 及 渗硼 预处 理并 置 于 ， 两 高度 处 沉积 刀 片 的 和 图 从 图 中可 以 看 出 ， 酸 浸 处 理刀 片 的拉 曼 谱 金 刚石 特征 峰虽 较为 尖 锐 ， 但有 非 晶炭存在 而 且 ， 这种 预处 理刀 片沉积 的金 刚石 形 貌 多为菜花 状 ， 晶形 不 理想 这说 明 ， 酸浸 处理 的刀 片在金 刚 石 沉积过程 中 ， 仍存 在 钻 的不 良影 响 从 图 渗硼 预处 理一 组 的试样 看 ， 放 于 、 两 高度 处 沉 积 的金 刚石 刀 片 的拉 曼 谱其特 征 峰 较 为尖 锐 ， 非 金 刚石 特征 峰 比较平 缓 金 刚石 的 组织 形 貌较好 ， 晶形 也较 为理想 这 就是说 ， 在利 用 该设备对 渗硼 处 理 的硬 质 合金 刀 片进 行 沉积 时 ， 其金 刚石 涂层 质 量 较 高 ， 并具有 均 匀性 沉积 的特点 原 因是 渗硼 预 处 理 刀 片 的渗硼 雨 ‘︸﹃ 侧麒、一 波数 ， 一 ’ ， 而 波数 ， 一 ’ 撇撇鹅蕊粼荡羚轰‘黍戮撒纂燕辜 臼灵瓣薰蒸纂纂瓢鬓 平洛召 薰 鬓翼瓢戮篡蒸鬓缪翼蒸夔 薰薰薰纂鑫 黔黔蘸纂蘸缪 黝雄 毅撇奉撇姗暴 撰粼泌攀垂撇馨蘸鬓薰薰薰 戳 娜鬓薰鬓薰鬓羹鬓 蘸薰 黔 鬓 薰 薰 翼爵蘸薰 攀 纂 鬓羹翼 纂 熬 黝薰替墨鬓 翻 翼 碧葬奎羡戮 瓢 群餐贻令对馨奎粱戮蓬麟摹盛麒蒸豪蒸翼黑罗黔契梦耀准 】馨 鬓】薰纂馨 辨摹 燕撰 署婴黝辍掇蒸翼獭 熬 鬓瓤蠢撇耀蒸鬃薰 鞭巍嫉奎 羹翼瓢熬黝嘿 一门 侧麒、一 图 酸浸 处理 刀 片表 面 金 刚石 谱 和 照 片 ， 位 置 ， ， 位 置 侧七烈之 ︺匡迎丽 波数 ， 一 ， 侧淇之 波数 一 ’ 图 渗硼 处 理 刀 片 表 面 金 刚 石 谱 和 照 片 ， 位置 ， ， 位 置

·250 北京科技大学学报 2003年第3期 层在金刚石沉积过程中有效地阻止了钴的扩散， 图4和图5是在工作电流为120A,腔体压力 使钴对金刚石沉积的不利影响被克服.(2)该设备 为1.2MPa,CH为2%的沉积条件下的径向和轴向 的阴极和阳极结构设计独特，其间产生的等离子 温场.另外，横向的比较说明，利用该设备对硬质 体弧柱十分稳定，加之外部强磁场的稳弧和聚束 合金刀片沉积金刚石薄膜时，固体渗硼预处理工 作用，使此设备在轴向200cm的区间，任一直径 艺比酸浸预处理工艺对于阻挡钴的扩散和抑制 的圆周上是一等温场 石墨的生成有较大的优势 1000 800 中心距5cm 800 600 P 600 中心距7cm 400 400 中心距10cm 200 200 3 456789101112 02468101214161820 中心距/cm 与阳极距离/cm 图4径向温场 图5轴向温场 Fig.4 Radial temperature field Fig.5 Axial temperature field 3结论 vapor deposition diamond films on WC-Co cemented car- bide [J].Diamond and Related Materials,2002 (11):242 (1)YG6硬质工具可在强电流直流扩展电弧 4 Leyendecker A.A new coating process integrated in an in- CVD设备上进行大面积、均匀性、高质量金刚石 novative coating system for production of well-adherent 薄膜沉积. diamond coatings [J].Int J of Refractory Metal Hard (2)在利用该设备对硬质合金刀片沉积金刚 Materials,1998,16:187 5 John V B,John P D.Chemical vapour deposited diamond 石薄膜时，为了阻挡钴的扩散、抑制石墨的生成， films as protective coatings on titanium alloys [J).Dia- 实施固体渗硼预处理工艺比酸浸预处理工艺效 mond and Related Materials,1994(3):295 果更好 6 Soderberg S,Gerendas A,Sjostrand M.Advances and de- 参考文献 velopment in CVD technology [J].Vaccum,1990,41 1 Buck V,Deuerler F.Enhanced nucleation of diamond fil- (4-6):1317 ms on pretreated substrates [J].Diamond and Related Ma- 7 Park B S,Baik Y J,Lee K R.Autolubrication of diamond terials,.1998(7):1544 coatings at high sliding speed [J].Diamond and Related 2 Mallika K,Komanduri R.Diamond coatings on cemen- Materials,1993(3):910 ted tungsten carbide tools by low-pressure microwave 8 Lux B,Haubner R.Novel method for adherent diamond CVD[U.Wear,1999,224:245 coatings on cemented carbide substrates [J].Pure and 3 Polini Riccardo,Bravi Fabio,Mattei Giorgio.Effect of Appl Chem,1994,66:1783 WC grain growth inhibitors on the adhesion of chemical Large Area Diamond Coatings on Cemented Carbide Tools by a High Current Ex- tended DC Arc Plasma CVD System SUN Jianhua,MIAO Jingi,ZHANG Hengda,TANG Wezhong,LV Fanxiu,TIAN Jinze Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT High current extended DC arc plasma equipment was manufactured to carry out CVD film deposi- tion on acid-etching and boronizing samples of the cemented carbide cutter YG6,and the surface coating of deposi- tion at different positions of the blade were analyzed by Raman spectra and SEM.The results show that the boron- izing pretreatment technology is superior to the acid etching pretreatment technology,for CVD film coating on the blade by boronizinf pretreatment has advantages of large area,good homogeneity and high quality. KEY WORDS high current extended DC arc plasma;large area;homogeneity;diamond coating

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 层 在金 刚石 沉 积过程 中有效地 阻止 了钻 的扩 散 ， 使钻对金 刚石 沉积 的不利 影 响被 克服 该设备 的阴极 和 阳极 结 构 设计独 特 ， 其间产 生 的等离 子 体弧 柱 十分稳定 ， 加 之外部 强 磁场 的稳 弧 和 聚束 作 用 ， 使此设备 在轴 向 的 区 间 ， 任一 直径 的 圆周上 是 一 等温 场 图 和 图 是在 工 作 电流 为 ， 腔体压力 为 ， 旧 为 的沉积条件下 的径 向和轴 向 温 场 另 外 ，横 向的 比较说 明 ， 利用 该设 备对硬质 合金 刀 片沉积金 刚石 薄膜 时 ， 固体渗硼 预 处 理工 艺 比 酸 浸 预 处 理 工 艺 对 于 阻 挡 钻 的 扩 散 和 抑 制 石 墨 的生 成有较 大 的优 势 — 中心距 … 中心距 中心距 ，︸ 曰︵ 曰八︶ 护一帕 一 一 ︸沙 ︸ ︶ 护、甸 ，‘ “ 中心 距 图 径 向温场 助 结 论 硬 质 工 具可 在 强 电 流直流扩 展 电弧 设备上 进 行 大 面 积 、 均 匀 性 、 高质量 金 刚石 薄膜沉积 在利 用 该设 备对 硬 质合金 刀 片沉 积 金 刚 石 薄膜时 ， 为 了阻挡钻 的扩散 、 抑制石 墨 的生成 ， 实 施 固体渗 硼 预 处 理 工 艺 比酸 浸 预 处 理工 艺 效 果 更好 参 考 文 献 ， 咖 ， ， 幻。 一 七 ， ， 形 ， ， 砂 与 阳极距离 图 轴 向温场 一 【 ， 【 ， ， ， 飞 ， ， ， 恤 、 乞 ， ， 一 ， ， ， ， ， ， 乙刀 ， 似阴口 五” ， 刁刃 已” 乡勿 ， 环仑 口， 犷 ， 了又咬 ， ， ， 一 剑叮 ， 七 ，