硬质合金工具金刚石涂层渗硼预处理

第22：糝第期1ssn100103x.2000.9先033京科技大学学报 Vol.22 No.1 2000年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2000 硬质合金工具金刚石涂层渗硼预处理 王四根) 盖世英) 蒋政) 唐伟忠》 吕反修) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)航空遥感中心，北京100083 摘要采用固体粉末渗硼工艺，研究了YG,硬质合金刀片表面渗硼预处理对金刚石涂层附 着力的影响，研究结果表明：YG,硬质合金刀片通过粉末固体渗硼，表面生成具有较好高温稳 定性的、以CB为主的海层，克服了金刚石沉积中基底表面钴的不利影响，使得经渗硼处理的 YG。刀片试样金刚石涂层附着力优于酸浸预处理试样. 关键词金刚石薄膜：硬质合金：固体渗硼：附着力 分类号TQ164 金刚石薄膜涂层工具附着力是制约其应用 微镜观察分析试样组织，能谱仪与波谱仪分析 的关键.由于硬质合金与金刚石2种材料间不 试样成分，X射线衍射仪分析渗层相，压痕法评 同程度的晶格失配和热膨胀系数的差异所造成 价附着力， 的内应力降低了附着力，而且作为粘结相钴在 金刚石沉积过程中易引起碳的扩散与溶解，严 2实验结果 重抑制金刚石形核及促进石墨生长，使金刚石 2.1渗硼组织与相分析 涂层附着力大大弱化)，为此人们尝试了许多 图1是YG,硬质合金刀片试样经1000℃ 预处理方法2，以便克服基底粘结相钴的影响， ×4h渗硼处理后渗层横断面形貌.由图可见，渗 改善金刚石薄膜涂层，均取得了一定的效果.通 层表面组织呈等轴晶，渗层横断面组织呈柱状 过施加与表面钴反应形成化合物扩散层的方法 晶.这是由于渗硼之初在试样的最外层形成的 不仅可克服钴的影响，而且由于扩散层与基底 一层无择优取向的等轴晶后，钴与硼在垂直朝 存在化合键关系，扩散层与基底附着力可得到 着表面方向扩散阻力最小，因此该方向的扩散 有效保证.Kalss等尝试过在金刚石沉积中通 速度最快：随着硼化物层的增厚，扩散逐渐成为 入B(CH)气体形成Co的化合物的方法，但该 控制整个过程的因素，使得与试样表面垂直的 方法往往在形成Co的化合物同时，扩散出来的 晶粒生长速度最快，从而形成横断面柱状晶形 C0又使沉积的金刚石晶界石墨化而使金刚石 貌. 涂层附着力与耐磨性降低，因而效果并不理想， 采用能谱仪对沿横断面钴的分布进行C。- 本文拟探讨YG。硬质合金刀片固体粉末渗 KX射线线扫描（如图1箭头所指)，渗层钴峰 硼预处理，通过渗硼在刀片表面形成一扩散层， 特别高，而渗层以外的基体钴峰陡然降了下来， 而后再进行金刚石涂层，以彻底消除钴的影响， 表明渗层是钴的化合物. 达到提高附着力的目的. 采用波谱仪对渗层组织不同晶粒硼的成分 1实验方法 进行了分析，结果是不同晶粒的硼的成分（质量 分数)存在差异，分别为15.6%，8.47%，15.39%， 选用株洲硬质合金厂生产的YG6铣刀片用 15.6%,15.51%,说明渗层组织中存在着不同的 作基底材料，渗硼采用固体粉末渗硼法，渗硼试 硼化物. 验在高温箱式电阻炉中进行.采用扫描电子显 对渗层表面进行了X射线衍射分析，如图 2.通过标定，表面相主要是CoB,还有CoB,没 1999-03-25收稿王四根男，33岁，副教授，博士 有单质钴，说明它们是由硼和钴化合生成的.对 *国家863高科技资助项目No.715-Z38-3) 比波谱仪硼成分分析结果，说明硼质量分数分

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 】 硬 质 合 金 工 具 金 刚 石 涂 层 渗硼 预 处理 王 四 根 ‘， 盖 世英 ， 蒋 政 ‘， 唐伟 忠 ” 吕反修 ” 北京 科技 大学 材料 科学 与 工 程学 院 ， 北 京 航 空遥感 中心 ， 北 京 摘 要 采用 固体粉 末 渗硼 工 艺 ， 研 究 了 硬质 合金 刀 片表 面 渗硼 预处 理对金 刚 石 涂层 附 着力 的影 响 研究 结 果 表 明 硬质 合 金刀 片 通过 粉末 固体渗硼 ， 表面 生 成具 有较好 高温稳 定性 的 、 以 为 主 的渗层 ， 克服 了金 刚 石沉积 中基底 表面钻 的不 利 影 响 ， 使得经渗硼 处 理 的 。 刀 片试样金 刚石 涂层 附着 力优 于 酸浸预 处 理试样 关键词 金 刚石 薄膜 硬质 合 金 固体 渗硼 附着力 分 类号 金 刚石 薄膜 涂层 工 具 附着力 是 制约 其应 用 的关 键 由于 硬质 合 金 与 金 刚 石 种 材料 间不 同程度 的晶格 失配和 热 膨胀系 数 的差 异 所造成 的 内应 力 降低 了 附着 力 ， 而 且 作 为粘 结 相 钻在 金 刚 石 沉积 过程 中 易 引起碳 的扩 散 与溶解 ， 严 重抑 制金 刚 石 形 核及促进 石 墨 生 长 ， 使金 刚石 涂层 附着 力 大 大弱 化 『 为 此 人 们 尝 试 了许 多 预处理方 法 〔咧 ， 以便 克服基底粘 结 相 钻 的影 响 ， 改善 金 刚 石 薄膜涂层 ， 均取得 了一 定 的效 果 通 过施 加 与表面钻 反 应形 成 化合物扩 散层 的方法 不 仅 可 克 服 钻 的影 响 ， 而 且 由于 扩 散层 与 基底 存 在化 合 键 关 系 ， 扩 散层 与基 底 附着 力可 得 到 有 效 保证 等 「，尝试过在 金 刚 石沉积 中通 入 。 气 体 形 成 的化 合物 的方 法 ， 但 该 方 法 往往在 形 成 。 的化合 物 同 时 ， 扩 散 出来 的 又使沉积 的 金 刚 石 晶 界 石 墨 化而 使金 刚 石 涂层 附着力 与耐磨性 降低 ， 因而效 果 并不 理想 本 文 拟探讨 硬质 合金刀 片 固体粉末 渗 硼 预处 理 ， 通过渗硼 在 刀 片表 面形 成一扩 散层 ， 而 后 再进行金 刚 石涂层 ， 以彻底 消 除钻 的影 响 ， 达 到 提 高附着 力 的 目的 微镜观 察分析试样 组 织 ， 能谱仪 与波谱仪 分 析 试样 成 分 ， 射 线 衍射仪分 析 渗层 相 ， 压 痕 法 评 价 附着 力 实验 方 法 选用 株 洲 硬质 合 金 厂 生 产 的 铣 刀 片用 作 基底 材料 ， 渗硼 采用 固体粉末渗 硼 法 ， 渗硼 试 验在 高温箱式 电阻 炉 中进 行 采 用 扫 描 电子 显 一 一 收 稿 王 四 根 男 ， 岁 ， 副 教授 ， 博 士 国家 高 科技资助 项 目 困 一 一 实验 结 果 渗硼 组织 与相 分 析 图 是 硬质 合 金 刀 片 试样经 ℃ 科 渗硼 处 理后 渗层横 断面形 貌 由图可 见 ， 渗 层 表面 组 织 呈 等轴 晶 ， 渗层 横 断 面组 织 呈 柱状 晶 这 是 由于 渗 硼 之 初 在 试 样 的 最 外 层 形 成 的 一 层 无择优取 向的等轴 晶 后 ， 钻 与硼 在垂 直朝 着表面 方 向扩 散 阻 力最 小 ， 因此 该方 向的扩 散 速度 最快 随着硼 化物层 的增 厚 ， 扩 散逐渐成 为 控 制 整 个过程 的 因素 ， 使得 与试样表 面 垂 直 的 晶粒 生 长速度最 快 ， 从 而 形 成 横 断面柱状 晶形 貌 采用 能谱仪 对沿 横 断面钻 的分布进 行 凡 射 线 线 扫 描 如 图 箭头 所 指 ， 渗层 钻 峰 特别 高 ， 而 渗层 以外 的基体 钻峰 陡然 降 了下 来 ， 表 明渗层 是 钻 的化 合物 采用 波 谱仪对渗层 组 织 不 同 晶粒硼 的成 分 进行 了分 析 ， 结果 是 不 同 晶粒 的硼 的成 分 质 量 分 数 存 在差 异 ， 分 别 为 ， ， ， ， 巧 ， 说 明渗层 组 织 中存 在着不 同 的 硼 化 物 对 渗层 表面进行 了 射线 衍射 分析 ， 如 图 通 过标 定 ， 表 面相 主 要 是 ， 还 有 ， 没 有 单质钻 ， 说 明它 们 是 由硼 和 钻 化合 生 成 的 对 比 波 谱 仪硼 成 分 分 析 结 果 ， 说 明硼 质量分数分 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．01．033

-32 北京科技大学学报 2000年第1期 金刚石晶粒细密均匀，未见C0球扩散出来：酸 浸试样有C0扩散出来，经能谱成分分析也证明 了这点，图4是沉积温度900℃下渗硼与酸没 试样表面Raman谱.由图可看出：渗硼试样金刚 石峰锐利，几乎没有非金刚石碳峰，而酸没试样 出现非金刚石碳峰：此外滲硼试样金刚石峰位 于1335.35cm'(图4a),而酸浸试样金刚石碳 峰位于1338.93cm(图4(b)小：表明渗硼试样应 力小于酸浸试样. 图1YG,刀片试样经1000℃×4h渗罐后横断面组织形赖 Fig.1 Cross-section of YG.insert pretreated by boronizing at1000℃×4h 别为15.6%.15.39%，15.6%，15.51%的晶粒为 CoB,硼质量分数为8.47%晶粒为CoB.波谱分 析结果与X射线衍射分析结果吻合得很好. 8 。CoB 6 ·Co-B 4 0 20 % 60 形 100 20) 图2YG,刀片试样经1000℃×4h渗睡处理后表面X射 线衍射谱 Fig.2 XRD pattern of YG,insert after boronizing at 1000 ℃x4h 图3YG,刀片不同表面预处理及沉积工艺下得到的金 刚石组织形貌 采用压痕法对渗层与基底附着力进行了测 Fig.3 Surface morphologies of diamond films on YG,in- 试，在1.5kN载荷下，渗层压痕周边无开裂与脱 sert by various pretreatment 落现象，表明渗层与基底附着力良好.这主要是 (a)渗娜：(b)酸漫，沉积工艺参败：沉积温度900℃，甲 由于渗层与基底存在化合键关系而使附着力得 烷3%（形核+15%（生长），沉积气压20kPa,沉积时间 到增强的缘故. 2.0b 22金刚石组织及附着力 将固体粉末渗硼预处理YG,刀片试样金刚 YG,硬质合金刀片试样，经过表面渗硼预 石沉积后附着力采用压痕法进行了评价，并同 处理，能否起到阻挡C0的作用，金刚石薄膜能 酸浸YG,刀片试样在相同条件下沉积的金刚石 否在其上形核与生长，都得看金刚石沉积结果. 薄膜涂层进行了对比.渗硼处理试样在1.5kN YG,硬质合金刀片试样经表面渗硼处理后采用 载荷下压痕周边无发散裂纹，压痕平均直径 直流等离子体喷射CVD法对渗硼样进行了金 209μm,而酸浸处理试样周边产生剥落及开裂， 刚石薄膜沉积实验， 压痕平均直径287m,说明渗硼处理试样附着 图3(a)是YG,硬质合金表面渗硼处理后表 强度优于酸浸试样，这主要是由于：一是渗硼 面沉积的金刚石薄膜组织形貌，并与酸浸试样 处理试样渗硼层有效克服了钴对金刚石沉积 (图3(b)》进行了对比.由图可看出：渗硼试样 时的不利影响，提高了金刚石质量：二是渗硼

Vol.22 No.1 王四根等：硬质合金工具金刚石涂层渗硼预处理 33 1500 定以CoB为主的化合物扩散层，克服了粘结相 (a) 钴对金刚石涂层不利影响，提高了金刚石质量， 1000 缓解了涂层与基底的应力，提高了附着力. 500 3结论 YG,硬质合金刀片经1000℃×4h固体粉末 0 渗硼处理，在刀片表面形成CoB及CoB化合物 1100 1300 1500 1700 扩散层，该化合物扩散层在金刚石沉积中能有 漂移(Raman shift) 8000 效地阻挡钴的扩散，克服了钴对金刚石涂层的 (b) 不利影响，并缓解了涂层应力，使获得的金刚石 涂层质量及附着力得到进一步提高. 6000 参考文献 1 Mehlmann A K.Investigation of Cobalt Behaves during- 4000 袋 Diamond Deposition on Cemented Carbides.Diamond and Related Materials,1994.3(4-6):805 0 2 Nesladek M,Spinnewyn J,Asinari C,et al.Improved Ad- 1100 1300 1500 1700 hesion of CVD Diamond Films to Steel and WC-Co Sub- 漂移(Raman shift) strates.Diamond and Related Materials,1993,3:98 图4YG.表面金刚石沉积后Raman谱结果 3 saijo K,Yagi M,ShibikiK,et al.The Improvement of the- Fig.4 Raman spectra of diamond films on YGs insert by Adhesion Strength of Diamond Films.Surf Coat Technol, various pretreatment 1990,43/44:30 (a)渗硼；(b)酸浸 4 Kupp E R.Interlayer for diamond-coated Cutting Tools. 处理试样渗硼层缓解了应力，因而增加了附着 Surf Coat Techn,1994,68/69:378 强度， 5 Kalss W,Bohr S,Haubner R,et al.Influence of Boron on Diamond Growth on WC-Co Hardmetals.Int J of Re- 上述试验结果表明，YG,硬质合金刀片通过 fractory Metals Hard Materials,1996,14:137 固体粉末渗硼处理，硬质合金刀片表面形成稳 Boronizing Pretreatment of WC-Co Cutting Tool WANG Sigen,GAI Shiying,JIANG Zheng",TANG Weizhong",LU Fanxiu 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Center for Aerial Remote Sensing of Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT In order to improve the adhesion of the diamond to the WC-6%Co insert substrate,boron- izing approach from solid powder was adopted the first time to deal with the surface cobalt of the substrate.A layer of the CoB and CoBa intermetallic compounds chemically bonded to the substrate was yielded during boronizing at 1 000 Cx4h,and the layer can effectively prevent the diffusion of the cobalt up to the surface during diamond deposition;the layer can relieve residual stresses at the diamond-carbide interface too.The diamond coating on the substrate by boronizing pretreatment shows a further significant adhesion improvem- ent. KEY WORDS diamond film;cemented carbide(WC-Co)tool solid boronizing;adhesion

王 四根等 硬质 合 金 工 具 金 刚石 涂层 渗硼 预 处 理 定 以 为主 的化合 物扩 散层 ， 克服 了粘 结相 钻对金 刚石 涂层 不 利 影 响 ， 提高 了金 刚石质量 ， 缓 解 了涂层 与基 底 的应 力 ， 提 高 了 附着 力 日曰日卜飞 一呻 ‘ 泌 、 脚俩 以林砂 、 砂砂坷脚甲哗、 ， 侧絮愈﹃︶︵甘。 一 漂移 结 论 。 硬质 合 金 刀 片 经 ℃ 固体粉 末 渗硼 处 理 ， 在 刀 片 表 面 形 成 及 仇 化 合物 扩 散层 ， 该 化合物 扩 散 层 在 金 刚 石沉积 中 能有 效 地 阻 挡钻 的扩 散 ， 克服 了钻对 金 刚石 涂层 的 不 利影 响 ， 并缓解 了涂层 应 力 ， 使 获得 的金 刚石 涂层 质量及 附着 力 得到 进一 步 提 高 参 考 文 献 ， ， 一 ， ， ， 一 ， ， ， ， ， 亨 · ， ， 一 ， ， ， ， 凡 一 ， ， 侧燃︵﹃︶扮。 一 漂 移 图 。 表面 金 刚 石 沉积 后 谱结果 。 渗硼 酸 浸 处 理试样 渗硼 层 缓 解 了应 力 ， 因 而 增 加 了 附着 强 度 上述试验结果 表 明 ， 硬质合金刀 片通过 固体粉末渗硼 处 理 ， 硬质 合 金 刀 片 表 面 形 成 稳 一 恻刀 ‘ 已 ’ ， 心 尸儿咬刃 ， 肠 ， ， 助 ， ， ， ， ， 一 ， ， 助 一 一 雌