孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石涂层工艺研究

简小刚， 黄 卓

(同济大学， 上海 201804)

金刚石涂层兼具金刚石和薄膜材料的特性，应用在硬质合金工具上时，既能表现出金刚石的高硬度、高耐磨性和高导热性，又能表现出硬质合金基体良好的抗冲击性和强韧性，显著提高其综合性能和使用寿命，因而具有极其广阔的应用前景。而阻碍其产业化应用的关键问题之一，在于涂层和基底的热膨胀系数不同，膜基界面结合强度较差，涂层易脱落。

粉末冶金孕镶金刚石钻头的胎体里，均匀包镶有金刚石颗粒，其在成分上与金刚石涂层相同，在化学气相沉积金刚石的过程中可以实现同质外延生长。另一方面，金刚石颗粒与钻头胎体之间的包嵌力，大于硬质合金基底和金刚石涂层之间的结合力。因此，孕镶金刚石基底同金刚石涂层的膜基界面结合强度，在理论上有很大的提升空间。

基于此，我们拟在粉末冶金孕镶金刚石钻头基底上制备金刚石涂层，既解决基底和涂层之间膜基界面结合力差的问题，又提高钻头的耐磨性。但是，在现有的研究成果中，鲜有关于在粉末冶金孕镶金刚石基底上沉积金刚石涂层的讨论。我们借鉴在硬质合金基底进行金刚石涂层的沉积技术，在粉末冶金孕镶金刚石基底上进行CVD金刚石涂层沉积实验，分析比较其最终的力学性能，以验证其可行性。

1 基底预处理

以市售的YG6硬质合金棒以及粉末冶金孕镶金刚石片为沉积基底，其直径为12 mm，厚度为2 mm。为准确标定硬质合金棒以及孕镶金刚石基底的材料成分种类，我们对未沉积涂层的基底表面做EDS测试，在圆形试样表面按照圆周方向均匀取5个测试点，分析其成分组成，其平均结果如表1所示。

表1 孕镶金刚石基底与硬质合金基底的成分对比

由表1中可以看出：相比于硬质合金，孕镶金刚石中含有一些其他的成分，如Cu、Si等，在化学气相沉积过程中，这些元素有利于金刚石涂层的生长。

使用扫描电镜观察孕镶金刚石基底的微观形貌(图1)，以备后续对比分析。

图1 孕镶金刚石基底的微观形貌

对2种基底进行预处理，依次包括机械抛光、酸处理、纯水超声震荡处理、乙醇超声处理，然后风干、备用[4-9]。机械抛光处理能够降低金刚石衬底表面的粗糙度，减少位错，提供良好的金刚石晶面；酸处理能够去除衬底表面的杂质，为金刚石生长提供更好的环境，使外延生长更加平整[10-12]。预处理的流程如图2所示，处理后2种基底的表面微观形貌如图3所示。

图2 酸蚀预处理流程图

(a)预处理后的硬质合金表面形貌

(b)预处理后的孕镶金刚石表面形貌

预处理酸洗方法只能暂时消除表层的Co，而沉积过程中孕镶金刚石片温度升高后，内层的Co会沿浓度梯度再次扩散到表层与金刚石发生反应。为消除Co给金刚石沉积过程带来的不利影响，沉积前处理还包括氢等离子体刻蚀，利用氢气与金属钴发生反应生成易挥发的钴的氢化物，进一步去除Co的影响。

2 沉积实验

使用HF650型热丝化学气相沉积(HFCVD)设备进行金刚石涂层的沉积，该设备的真空系统的示意图如图4所示。用预处理后的基底进行化学气相沉积实验，沉积实验过程中的工艺参数[13-14]如下(气体流量均以标准状况计算)：甲烷流量3 cm3/min、氢气流量200 cm3/min、基底温度830 ℃、沉积气压12 kPa、沉积时间6 h。

图4 HFCVD装置真空系统示意图

3 实验结果

在2种基底上，采用HFCVD方法得到的涂层表面形貌如图5所示。由图5可以看出：相同实验条件下，相比于硬质合金基底上的涂层，孕镶金刚石基底上的形核率更高、表面更平整、晶粒大小更均匀。

(a)硬质合金基底上沉积金刚石的形貌

(b)孕镶金刚石基底上沉积金刚石的形貌

为测试2种基底上沉积出的金刚石涂层的质量以及涂层内应力的大小，使用拉曼光谱仪进行检测，其结果分别如图6、图7所示。内应力计算公式为：

σ=P(υ-υ0)

(1)

式中：σ为内应力大小；P为常数，取-0.567 GPa；υ0=1332 cm-1，υ为拉曼光谱中的测量峰位置。

图6 硬质合金基底上金刚石涂层的拉曼光谱

从图6中可以看出：硬质合金基底上沉积的涂层，其在1 334.07 cm-1处的金刚石峰比天然金刚石的特征峰(1 332 cm-1)向右偏移，说明涂层中存在压应力。而根据公式(1)计算得到应力大小为1.17 GPa；另一方面，G峰(1 580 cm-1)的存在也说明了金刚石涂层不纯，含有结晶不良的石墨和非晶碳成分。

图7 孕镶金刚石基底上金刚石涂层的拉曼光谱

从图7中可以看出：孕镶金刚石基底上沉积的涂层，其金刚石特征峰在1 333.333 cm-1处，比天然金刚石的特征峰有轻微偏移，通过公式(1)，计算得到应力大小为0.76 GPa；另一方面，其金刚石特征峰比较尖锐，且没有明显的G峰，说明涂层中金刚石纯度较高、涂层质量较好。

在2种涂层表面分别施加1470 N的压力，然后用SEM观察涂层表面的微观形貌，其结果如图8所示。

(a)硬质合金基底上的涂层压痕(b)孕镶金刚石基底上的涂层压痕图8 金刚石涂层压痕图

由图8可以看出：硬质合金基底上的金刚石涂层，其压坑周围存在明显的涂层剥落现象；孕镶金刚石基底上的金刚石涂层，其压坑周围没有出现涂层剥落现象，金刚石颗粒完整。这说明孕镶金刚石基底与金刚石涂层的结合力优于硬质合金基底与金刚石涂层的结合力。

4 结论

在相同沉积条件下，分别在硬质合金基底和孕镶金刚石基底的表面上沉积金刚石涂层，并进行扫描观测和压痕实验。发现：

在相同工艺条件下，在孕镶金刚石基底上可以沉积出质量更高的金刚石涂层，其金刚石形核率高、晶形大小均匀、涂层表面平整，且膜基界面的结合力更高。

此发现将有助于提高金刚石涂层的应用范围，并极大提高钻头的寿命，降低使用成本。

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