基体表面粗糙度影响附着强度

刀具基体表面粗糙度直接影响金刚石薄膜与基体的实际接触面积和接触状态,是影响金刚石薄膜涂层刀具附着强度的重要因素。本文从金刚石薄膜在基体表面的成核密度、成核状态及机械锁合作用等方面研究了基体表面粗糙度对金刚石薄膜涂层刀具附着强度的影响。

1基体表面粗糙度对成核密度及成核状态的影响

图1基体表面粗糙度对成核密度的影响

为研究刀具基体表面粗糙度对成核密度的影响,我们以用不同粒度金刚石微粉研磨过的基体为试样,进行了实验研究。为避免WC-Co系硬质合金中Co元素对成核的影响,我们以金属W为基体用燃焰法进行了沉积实验。实验条件为:反应气体流量比O2/C2H2=1,基体温度约750℃,沉积时间为3min。根据扫描式电子显微镜观察计算结果,基体表面粗糙度与金刚石薄膜成核密度的关系如图1所示。

从图中可以看出,以W为基体时,基体表面粗糙度对金刚石薄膜的成核密度没有太大影响,在上述沉积条件下,成核密度可达3×108个/cm3左右。对WC-6%Co硬质合金的研究也表明了同样的趋势。这与在单晶Si片上的沉积实验结果不同。可以认为W和WC-6%Co硬质合金中存在的大量晶界缺陷促进了金刚石薄膜的成核,从而使由基体表面粗糙度差异带来的对成核密度的影响变得不十分明显。

图2在不同粗糙度基体表面上金刚石的成核状态

用扫描式电子显微镜进行进一步的观察分析表明,基体表面粗糙度对金刚石薄膜的成核状态有较大影响。图2为在具有不同粗糙度的基体表面沉积2min未形成连续薄膜时金刚石的成核反晶粒生长状态。从图中可以看出,在Ra0.19µm的较光滑基体表面,金刚石薄膜较平整,金刚石薄膜与基体的接触局限于成核点附近,可近似认为是二维接触,实际接触面积较小。在Ra0.41µm和Ra1.04µm的粗糙基体表面,金刚石在凸峰及凹谷中均有成核,由于金刚石晶粒呈三维生长,所以在形成连续薄膜后,在凹谷中成核的金刚石晶粒与基体呈三维接触,使金刚石薄膜底面与基体的实际接触面积显著增大,从而有助于提高金刚石薄膜与基体间的附着强度。但在Ra1.04µm时,由于基体表面太粗糙,凸峰间的凹谷较深大,在金刚石晶粒进一步生长形成连续薄膜后容易在凹谷中形成空穴。

2刀具基体表面粗糙度对附着强度的影响

为进一步研究刀具基体表面粗糙度对附着强度的影响,我们用燃焰法制备了具有不同基体表面粗糙度的金刚石薄膜涂层刀具。由于WC-Co系硬质合金中粘结相Co在沉积初期有促进石墨形成的作用,为排除其影响,实验中选择了金属W为金刚石薄膜涂层刀具的基体材料。

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