1.引言
随着汽车，航空和航天等工业的发展，有色金属及合金、纤维增强塑料、纤维增强金属以及石墨、陶瓷等新型先进材料越来越多的应用到这些工业产品中，这对机械加工提出了高效率，高精度等要求，普通刀具已经不能满足需求，而迫切需要一种耐磨性更高、能稳定实现高精、高效、寿命更长的超硬刀具，金刚石涂层刀具因其具有十分接近天然金刚石的硬度和耐磨性高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，成为加工难加工材料的理想刀具。
1.1金刚石涂层介绍
金刚石是自然界最硬的材料，摩擦系数很小，导热性很好，是用于制作切削工具的最佳材料，但金刚石很脆，因此普通的金刚石工具只能用于精加工，而不能用于粗加工。金刚石单晶工具和金刚石聚晶工具虽然凭借其使用寿命和加工质量的优势在国内外市场销售多年，但因其价格昂贵，抗冲击性差，应用范围较小。
cvd金刚石薄膜涂层刀具是在基体上直接沉积金刚石薄膜，因而适用于制造复杂形状的刀具。与其他金刚石刀具相比，该种刀具制造设备投资小，性能价格比高，极富市场竞争力，因而可称为高效高精密度切削加工有色金属及其合金、复合材料和硬脆非金属材料的最理想的新一代刀具材料。①②
早在18 世纪末人们就通过使金刚石燃烧的办法知道了金刚石是由碳组成。直到1982 年，日本科学家matsumoto 和sato 等使用热丝化学气相沉积（hfcvd）法，首次成功地合成了金刚石薄膜，并且利用cvd 技术合成的金刚石薄膜物理性质和天然金刚石基本相同或相近，它们的化学性质则完全相同，这使得金刚石的应用领域进一步扩大。3这一技术的成功让人们再次看到广泛应用金刚石的曙光，从而掀起了一个研究金刚石薄膜的热潮。
1.2精密刀具
机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料.制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并不易变形。
通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。硬质合金可转位刀片都已用化学气相沉积涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高3倍以上。
在切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高的情况下，进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化极为重要。
2.涂层刀具市场分析
2.1硬质合金材料的紧缺
正是由于硬质合金的需求量不断增加，钨矿逐渐成为一种稀缺资源。关于钨矿，按照有色金属工业协会的统计，2011上半年我国钨精矿的产量为52273万吨，同比增加3.9%，2010年的钨精矿平均价格为9万块，而2011年平均价格为13.5万，价格涨幅是50%，但产量增幅只是3.9%，国家已经停止了对新建钨矿的审批，对原有矿山的开采也实行了配额管理，使得钨矿产量很难有大幅度的增加。对于采矿业，特别是黑钨矿山的开采有一个很显著的特点，就是它的产量没有办法在短期内明显增大。开采业要在短期内增加产量是很难的，一般新建设一个钨矿山需要3～5年的时间，而且要真正达产都需要5年以上，钨矿资源的稀缺性也将非常明显。
2.2金刚石涂层市场
金刚石涂层刀具完全不同于金刚石单晶、聚晶复合片工具，后者只能做成简单的前刀面为平面的精切工具，而金刚石涂层可在复杂形状工具表面涂覆，如转位刀具、钻头、成形刀具等，极大拓宽了应用范围。金刚石涂层工具用于加工各类有色金属及合金、陶瓷、工程塑料、木材及复合材料、石材、玻璃等。金刚石涂层工具以其使用寿命长、应用范围广、性能价格比高等优势，成为硬质合金工具和金刚石聚晶工具的有力竞争者，在未来的工具市场上将占有越来越大的市场份额。
3.金刚石涂层制备及工艺
3.1机理分析
金刚石的合成方法从50 年代的高温高压（hthp）到80年代初日本科学家首次使用的cvd，再到今天的多种合成方法，在这将近半个世纪的时间里金刚石薄膜的制备工艺有了长足的发展。目前较成熟且有发展前途的方法有：热丝cvd法（hfcvd）、燃烧火焰沉积法（flame deposition）、直流电弧等离子喷射cvd 法（dapcvd）、微波等离子体cvd 法（wmpcvd）、激光辅助cvd 法（lacvd）。 3.2工艺研究
（1）热丝cvd 法（hfcvd）。④⑤
这种方法的基本原理是靠在衬底上方设置金属热丝（如钨、钽丝等）高温（2000～2200℃）加热分解含碳的气体，形成活性粒子在原子氢的作用下在衬底（保持在700～1000℃）上沉积而形成金刚石。此方法简单易行。
（2）燃烧火焰沉积法（flame deposition）。
该方法所使用的碳源气体为乙炔，助燃气体为氧气。将两种气体在乙炔枪中混合，在大气中燃烧，燃烧火焰分为三个区：内焰、外焰和还原焰，将衬底放置在火焰的还原焰区域生成金刚石。该方法中氧气和乙炔的比例r 是影响金刚石薄膜质量的关键因素，只有在r=0.7～1.0 区域才能生长成金刚石，其他区域都不利于金刚石的生长，而且研究表明当r=0.97～1.0 时，可生长出透明的光学级金刚石薄膜。
（3） 直流电弧等离子喷射cvd 法（dapcvd）。
该方法的制备工艺如下：在杆状阴极和环形阳极之间施加直流电压，当气体通过时引发电弧，加热气体，高温膨胀的气体从阳极嘴高速喷出，形成等离子体射流，引弧的气体通常是氩气，等形成等离子体射流后，通入反应气体甲烷和氢气，甲烷和氢气被离化，并达到水冷沉积台的衬底，在衬底上成核、生长金刚石。这种技术具有生长速度快，沉积的金刚石薄膜质量好，适用于复杂表面，气体利用率高，无电磁污染等优点。
（4） 微波等离子体cvd 法（mwpcvd）。
wmpcvd 不仅可以沉积出高纯度的金刚石薄膜，沉积速率也可以通过增大微波功率来提高。用5kw 微波功率的wmpcvd，可以以10m/h 的速率沉积工具级金刚石薄膜，8m/h 的速率沉积热沉级金刚石薄膜，3m/h 的速率沉积光学级金刚石薄膜。在我国，wmpcvd 装置的研制与发达国家如美国、日本相比虽有一定的距离，但这种差距正在逐步缩小。此方法是目前用于沉积金刚石薄膜最为广泛的方法。
（5） 激光辅助cvd 法（lacvd）。
lacvd金刚石薄膜的生长是一种很有发展前景的方法，这种方法的优点是：具有高的生长率；较低的衬底温度；生成的金刚石膜表面平整并且可以选择性沉积。但其最大的不足之处就是设备长时间工作的稳定性差、不易于大面积沉积。陆宗仪等人在1997年提出了一种新型的激光――等离子体辅助化学气相沉积装置，在此装置中激光和等离子体均处于较易实现的和较低的能量水平，避免了各自的缺点，大大提高了成膜的质量。
此外，也可以使用多种方法结合起来制备金刚石薄膜。其目的也是要快速、大面积沉积高质量的金刚石薄膜。金刚石制备方法的不断进步和完善使金刚石薄膜的广泛应用成为可能，而在不同领域对金刚石应用的不同要求也促进了金刚石薄膜制备技术的不断发展。
3.3预处理
针对金刚石涂层刀具的制造工艺，最主要的是解决硬质合金基体上co的负面影响和不通气体的混合比例。针对co的负面影响，常采用对硬质合金基体进行预处理。在酸洗脱co法中，将wc-co硬质合金刀片放在腐蚀性的酸液中进行腐蚀，从而达到除去表面层co的目的。酸洗法分为一步法脱co和二步法脱co⑥。所谓的一步法脱co，是用一种酸或混合酸介质对基体表面进行一次浸蚀脱co处理，它是一种简单、低廉且较有效的表面去除co方法。尽管各种酸或混合酸可以溶解去co，但是，硬质合金基体表面的wc却不易被酸浸蚀。wc在基体中的比例高达85%以上，在表面也占有同样的比例。表面大量wc的存在，将阻碍各种酸对co的深入浸蚀。为了消除wc对酸浸蚀的阻碍影响，必须考虑首先除去wc相。二步法脱co上世纪90年代中期发展起来的、先用murakami剂浸蚀去除wc相、再用酸浸蚀去除co相，二步法目前已受到世界各国的高度重视。
在多次的实验中发现对刀具机体表面的预处理对金刚石的牢固生长有着极其重要的作用。对硬质合金基体进行氢等离子体刻蚀脱碳预处理能够显著提高金刚石涂层的附着力和切削性能， 随着刻蚀脱碳时间的延长， 附着力和切削性能显著提高。现如今将二步法预处理与微波等离子脱碳还原处理相结合， 提出了新型复合预处理方法， 即首先进行传统的二步法预处理， 然后在ar- h2气体中进行微波脱碳还原处理， 使基体表面的部分wc 转化为w。图1分别是pcb铣刀的前刀面经过复合预处理前后的表面形貌图。从图1a 中可以看出， 预处理前pcb铣刀的前刀面表面粗糙度为94135nm 左右，而经过预处理后， 其前刀面变得凹凸不平， 表面粗糙度达到了366119nm 左右，如图1b所示。这些凹凸不平的缺陷对金刚石晶体生长来说具有很低的形核能，因此无需再进行研磨处理就能达到提高金刚石形核率的目的。
硬质合金衬底表层中的钴元素具有催石墨化作用， 它的存在会使沉积的金刚石薄膜中形成大量的石墨相， 这些石墨相的存在会降低金刚石薄膜与硬质合金衬底之间的附着强度。对复合预处理前后铣刀前刀面的进行的edx分析显示， 预处理前pcb铣刀的钴含量（质量分数）约为6%左右，而预处理后钴的特征峰消失， 钴的含量也从原来的6%降低到0.14%左右。这说明复合预处理能够有效地去除硬质合金铣刀表层中的钴元素，从而在很大程度上提高金刚石涂层与衬底之间的附着强度。
4.涂层性能评价指标
对金刚石涂层刀具进行性能评价是一个综合的过程，设计到涂层组成、结构、物理化学性能等多个参数并需要应用多种检测仪器。
金刚石的围观结构（如涂层的均匀性、致密性、晶粒大小、晶粒取向等）对涂层产品的性能有着十分重要的影响。对涂层微观形貌的观察一般借助于有较大放大倍数的扫描电子显微镜（sem）。
raman散射是物质的一种非弹性光散射，其散射频率和强度取决于分子振动过程中极化率的变化且对应于分子或晶格特定的振动模式。raman光谱是研究碳材料的晶体结构和成键方式的一种有效手段。不同的碳材料，如晶体金刚石、晶体石墨及晶体c60等都具有不同的raman光谱。目前raman光谱已被广泛用于金刚石膜沉积质量的评估。⑦ 还有一些仪器如俄歇电子能谱仪分析涂层成分，x涉嫌衍射仪分析涂层的成分和结构，压痕试验评价涂层的附着力，这些方法都被广泛应用。
cvd金刚石膜的结构、成分、化学键型、表面形貌和晶体缺陷等性质可以通过电子显微镜、气相色谱、质谱、x射线衍射、红外吸收光谱和拉曼光谱等多种手段进行测量和表征。膜/基界面结合强度目前主要采用两种确定方法，一种是用仪器定性或定量测量，另一种是采用是切削试验。切削试验分为实验室试验和工业生产现场切削⑧。大量的文献资料表明⑨⑩，在金刚石层刀具的切削试验中，一般采用硅铝合金作为切削材料。评价刀具寿命时，一般采用两种方法：一种是根据工件表面粗糙度变化来评价刀具寿命，另一种是用刀具的磨损量来评价刀具的使用寿命。工业生产现场切削试验比实验室中的切削试验更为简单，它能较直观地反映产品的性能。由于工业试验的可靠性、真实性和综合性很强，因此它也是一种较为常用的刀具切削性能评价方法之一。
结语
近年来，合成金刚石薄膜已成为世界科技先进国家研究开发的最热门的新材料之一。随着半导体领域的需求量越来越大，并且对其品质要求日益增加，加之金刚石具有其他半导体材料无法比拟的优异性能的优势，因此，金刚石薄膜将会成为下一代电子元器件重要的新型材料。自化学气相沉积金刚石薄膜技术问世以来，金刚石薄膜的基础理论和应用开发研究已取得了巨大的成就。目前，金刚石主要是应用于精密机械加工领域，据报道每年有6.4 亿美元的销售额。并且应用领域正在进一步的扩大，在微电子、热沉、光学、声学等领域将得到更多的应用。尽管金刚石薄膜的制造工艺还不够十分完备，其面世也不过十几年，但据有关专家预测，在未来五十年，金刚石薄膜的制造工艺将会相当成熟，它将给人类尤其是电子领域带来极大的技术变革。