刀具基體表面粗糙度直接影響金剛石薄膜與基體的實(shí)際接觸面積和接觸狀態(tài)，是影響金剛石薄膜涂層刀具附著強(qiáng)度的重要因素。本文從金剛石薄膜在基體表面的成核密度、成核狀態(tài)及機(jī)械鎖合作用等方面研究了基體表面粗糙度對(duì)金剛石薄膜涂層刀具附著強(qiáng)度的影響。

1 基體表面粗糙度對(duì)成核密度及成核狀態(tài)的影響

為研究刀具基體表面粗糙度對(duì)成核密度的影響，我們以用不同粒度金剛石微粉研磨過的基體為試樣，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為避免WC-Co系硬質(zhì)合金中Co元素對(duì)成核的影響，我們以金屬W為基體用燃焰法進(jìn)行了沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：反應(yīng)氣體流量比O₂/C₂H₂=1，基體溫度約750℃，沉積時(shí)間為3min。根據(jù)掃描式電子顯微鏡觀察計(jì)算結(jié)果，基體表面粗糙度與金剛石薄膜成核密度的關(guān)系如圖1所示。

 

從圖中可以看出，以W為基體時(shí)，基體表面粗糙度對(duì)金剛石薄膜的成核密度沒有太大影響，在上述沉積條件下，成核密度可達(dá)3×10⁸個(gè)/cm³左右。對(duì)WC-6%Co硬質(zhì)合金的研究也表明了同樣的趨勢(shì)。這與在單晶Si片上的沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同?？梢哉J(rèn)為W和WC-6%Co硬質(zhì)合金中存在的大量晶界缺陷促進(jìn)了金剛石薄膜的成核，從而使由基體表面粗糙度差異帶來的對(duì)成核密度的影響變得不十分明顯。

用掃描式電子顯微鏡進(jìn)行進(jìn)一步的觀察分析表明，基體表面粗糙度對(duì)金剛石薄膜的成核狀態(tài)有較大影響。圖2為在具有不同粗糙度的基體表面沉積2min未形成連續(xù)薄膜時(shí)金剛石的成核反晶粒生長狀態(tài)。從圖中可以看出，在Ra0.19μm的較光滑基體表面，金剛石薄膜較平整，金剛石薄膜與基體的接觸局限于成核點(diǎn)附近，可近似認(rèn)為是二維接觸，實(shí)際接觸面積較小。在Ra0.41μm和Ra1.04μm的粗糙基體表面，金剛石在凸峰及凹谷中均有成核，由于金剛石晶粒呈三維生長，所以在形成連續(xù)薄膜后，在凹谷中成核的金剛石晶粒與基體呈三維接觸，使金剛石薄膜底面與基體的實(shí)際接觸面積顯著增大，從而有助于提高金剛石薄膜與基體間的附著強(qiáng)度。但在Ra1.04μm時(shí)，由于基體表面太粗糙，凸峰間的凹谷較深大，在金剛石晶粒進(jìn)一步生長形成連續(xù)薄膜后容易在凹谷中形成空穴。

2 刀具基體表面粗糙度對(duì)附著強(qiáng)度的影響

為進(jìn)一步研究刀具基體表面粗糙度對(duì)附著強(qiáng)度的影響，我們用燃焰法制備了具有不同基體表面粗糙度的金剛石薄膜涂層刀具。由于WC-Co系硬質(zhì)合金中粘結(jié)相Co在沉積初期有促進(jìn)石墨形成的作用，為排除其影響，實(shí)驗(yàn)中選擇了金屬W為金剛石薄膜涂層刀具的基體材料。

 

由于金剛石與基體附著強(qiáng)度的定量測(cè)定較為困難，目前應(yīng)用*多的是壓痕觀察法，即用洛氏硬度計(jì)以一定壓力將壓頭壓入金剛石薄膜，根據(jù)薄膜剝落面積的大小定性對(duì)比附著強(qiáng)度的大小?？紤]到金剛石薄膜涂層刀具實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，我們采用了斷續(xù)車削工件的方法來評(píng)價(jià)其附著強(qiáng)度的大小。即在一定切削條件下，用金剛石薄膜涂層刀具進(jìn)行斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)，以金剛石薄膜剝落時(shí)的耐沖擊次數(shù)和薄膜剝落面積大小來評(píng)價(jià)不同金剛石薄膜涂層刀具的附著強(qiáng)度。斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)條件如附表所示。

在附表中所示切削實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)LY12進(jìn)行斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)，基體表面粗糙度與金剛石薄膜涂層刀具耐沖擊次數(shù)和薄膜剝落面積的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，隨著刀具基體表面粗糙度值的增大，薄膜剝落時(shí)金剛石薄膜涂層刀具的耐沖擊次數(shù)顯著增加，薄膜剝落面積大幅度減小，說明金剛石薄膜與刀具基體間的附著強(qiáng)度隨基體表面粗糙度值的增大而顯著提高，完全可滿足實(shí)際切削加工的要求。從圖中還可看出當(dāng)基體表面太粗糙時(shí)，附著強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。

 

用掃描式電子顯微鏡對(duì)金剛石薄膜剝落后的基體表面進(jìn)行觀察分析，結(jié)果表明：在較光滑的基體表面幾乎沒有金剛石晶粒的殘留；在粗糙表面的溝槽和孔洞中殘留著許多金剛石晶粒如圖4所示?？梢哉J(rèn)為，在粗糙的基體表面，不僅金剛石薄膜與基體接觸面積較大，而且在粗糙表面溝槽和孔洞中嵌合的金剛石晶粒使金剛石薄膜與基體之間建立了機(jī)械鎖合作用，從而使附著強(qiáng)度得到了顯著提高。當(dāng)基體表面太粗糙時(shí)，由于在金剛石薄膜與基體之間容易形成空穴而使附著強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

在W和WC-Co系硬質(zhì)合金基體上沉積金剛石薄膜時(shí)，基體表面粗糙度對(duì)成核密度沒有太大影響，但對(duì)薄膜和基體間的接觸狀態(tài)有較大影響。較粗糙的刀具基體表面不僅使金剛石薄膜與基體實(shí)際接觸面積增大，而且可在金剛石薄膜與基體之間建立具有宏觀效應(yīng)的機(jī)械鎖合作用，從而使金剛石薄膜涂層刀具的附著強(qiáng)度得到顯著提高。當(dāng)基體表面太粗糙時(shí)，在基體表面和金剛石薄膜之間將由于空穴的存在而使附著強(qiáng)度下降。合理設(shè)計(jì)刀具基體表面粗糙度是提高金剛石薄膜涂層刀具附著強(qiáng)度的有效手段。