2 試驗(yàn)方法

3 結(jié)果與分析

1. 滲硼預(yù)處理后的表面形貌及成分分析
   襯底材料為光滑YG6硬質(zhì)合金刀片初瓜。圖1a為原始YG6硬質(zhì)合金的表面形貌引宙，其表面光滑，無(wú)明顯凹陷和凸起否北；襯底的酸洗粗化處理是用稀鹽酸腐蝕60min夸莱，以去除襯底表面的Co，粗化后用10mim的Al₂O₃砂紙打磨叹匹，用粒度為W1恤柴、W5、W10的金剛石粉末以1:1:1的比例進(jìn)行混合挺寒，研磨襯底表面約20min后再用丙酮浴超聲清洗扯蕾，目的是提高金剛石的成核密度，增加金剛石薄膜的附著力珊煌。圖1b是試樣2在酸洗粗化后的表面形貌锚署，表面出現(xiàn)了均勻的微細(xì)凹凸不平，WC顆粒顯露明顯刻撒；試樣3和試樣4進(jìn)行了滲硼預(yù)處理骨田，滲硼預(yù)處理采用了固體滲硼法，圖1c和圖1d分別是試樣3和試樣4滲硼的表面形貌声怔，可以看到态贤，試樣3因?yàn)闈B硼較深的緣故，襯底顏色發(fā)暗醋火，有孔洞悠汽；試樣 4滲硼后的表面孔洞較少，顆粒細(xì)小芥驳，滲硼層連續(xù)介粘。滲硼預(yù)處理后襯底表面的XRD能譜圖如圖2所示殖氏。圖2a是試樣1即原始光滑硬質(zhì)合金的XRD圖晚树，圖2b和圖2c分別是試樣3和試樣4滲硼后的XRD圖姻采。從圖2b和圖2c觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)滲硼預(yù)處理后出現(xiàn)了W₂CoB₂的波峰爵憎，同時(shí)WC波峰有所減弱慨亲。在滲硼過(guò)程中，參與滲硼反應(yīng)的供硼劑是碳化硼(B₄C) 宝鼓，活化劑是氟硼酸鉀(KBF₄)婶签、碳酸鈉(Na₂CO₃)。
   在滲硼開(kāi)始加熱時(shí)乾爆，供硼劑和活化劑反應(yīng)生成活性B原子彪壳，反應(yīng)過(guò)程如下：

   KBF4=BF3+KF	(1)
   2BF3+2BC4+O2=3BF2↑+7[B]+2CO	(2)
   2KF+B4C+O2=K2O+BF2↑+3[B]+CO	(3)

   其中的BF₂為不穩(wěn)定氣體，經(jīng)分解析出硼原子而形成穩(wěn)定的BF₃氣體舆伺，反應(yīng)式為

   3BF2=[B]+2BF3↑

   (4)

   在式(4)得到的BF₃又可以和B₄C發(fā)生反應(yīng)暴赡，產(chǎn)生活性[B]原子，這樣周而復(fù)始阀洛，最后消耗完供硼劑B₄C蒂茶。反應(yīng)所生成的活性硼原子會(huì)吸附到硬質(zhì)合金的表面和Co及WC 發(fā)生反應(yīng)，形成W₂CoB₂等化合物调拳。反應(yīng)式為

   2W+Co+[B]=W2CoB2

   (5)

   由于[B]原子的不斷產(chǎn)生小梢，與從襯底內(nèi)部擴(kuò)散到表面的Co形成了穩(wěn)定的化合物，從而消除了Co在金剛石的沉積過(guò)程中的不利影響杀肩，而且形成的滲硼層可以有效地阻礙內(nèi)部的Co擴(kuò)散到表面挤奢，同時(shí)作為硬質(zhì)合金主體的WC在滲硼層中同樣存在，這就保證了襯底的連續(xù)性洞难，也就不存在其他施加過(guò)渡層和襯底之間附著力的問(wèn)題舆吮。試樣2因僅經(jīng)過(guò)了酸洗研磨粗化，表面成分基本沒(méi)有發(fā)生變化廊营；試樣3中WC和W₂CoB₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為68.5%和31.5%歪泳；試樣4中WC和W₂CoB₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65%和35%。試樣4中表面含硼量高于試樣3的主要原因是添加了稀土露筒，稀土在滲硼過(guò)程中具有明顯的催滲作用呐伞，即有更多的Co在襯底表面形成了化合物，從而形成致密的滲硼層慎式。
2. 金剛石薄膜表面形貌及附著力
   CVD 金剛石薄膜的表面形貌SEM圖如圖3所示伶氢，圖3a是試樣1沉積金剛石薄膜的表面形貌，由于未經(jīng)過(guò)任何預(yù)處理瘪吏，沉積過(guò)程中無(wú)法有效形核癣防，因而成膜較差蜗巧，而且附著力很差，在邊緣處出現(xiàn)脫落現(xiàn)象蕾盯。圖3b即試樣2經(jīng)過(guò)酸洗粗化幕屹，金剛石薄膜晶粒粗大連續(xù)，晶形清晰取涕，晶形發(fā)育良好触良，呈現(xiàn)出典型的(111)晶面，表面比較粗糙痛恃；圖3c是試樣3采用滲硼預(yù)處理后沉積的金剛石薄膜的表面形貌颓腮，呈現(xiàn)出結(jié)晶度稍差的(100)取向的金剛石膜；試樣4采用的是添加稀土的滲硼預(yù)處理杜糕，金剛石顆粒呈球狀晶形谭某，表面均勻連續(xù)，成核密度高且表面粗糙度小悉种。由圖3可見(jiàn)接竣，試樣4在滲硼時(shí)由于稀土的催滲作用，使得表面形成W₂CoB₂的含量較高瓷忙，有效地阻擋了Co的滲出耐陵，形成了較細(xì)晶粒的金剛石薄膜。
   本文采用洛氏壓痕法對(duì)沉積的金剛石薄膜進(jìn)行附著力評(píng)價(jià)泵网，圖4為在相同載荷1000N作用下的壓痕照片俏蛮。從圖中可以看出：圖4a中試樣1由于未經(jīng)過(guò)預(yù)處理，金剛石薄膜附著力極差上遥，薄膜大片脫落搏屑；圖4b中的試樣2經(jīng)過(guò)酸洗粗化，壓痕周圍無(wú)明顯的發(fā)散性裂紋粉楚，但壓痕周圍薄膜脫落的區(qū)域直徑較大辣恋；圖4c中的試樣3壓痕周圍有部分發(fā)散性裂紋，周圍薄膜部分破碎模软，其附著力較差伟骨；圖4d中試樣4的壓痕周圍薄膜脫落區(qū)域明顯小于試樣2壓痕周圍的脫落區(qū)域，發(fā)散裂紋很少燃异，其附著力比試樣2的附著力有所提高携狭；試樣4的壓痕面積小于試樣3的壓痕面積，未見(jiàn)明顯發(fā)散裂紋回俐，由此可以判定試樣4的附著力最強(qiáng)逛腿。原因主要是由于試樣4中添加了稀土，稀土具有催滲作用仅颇，襯底滲硼較深单默，緩解了一部分表面應(yīng)力梗力，使得附著力增強(qiáng)，有利于金剛石薄膜的沉積和附著力的提高入荞。由此可以得出如下結(jié)論：采用滲硼預(yù)處理方法筷品，且滲硼劑中添加了稀土的試樣4的附著力要優(yōu)于酸洗研磨后的試樣2的附著力，在保證附著力的前提下汗绰，通過(guò)滲硼預(yù)處理可獲得表面光滑的金剛石薄膜哀擒。

4 結(jié)論

1. 本文采用滲硼預(yù)處理方法，通過(guò)熱絲CVD法琴坏，在光滑硬質(zhì)合金表面制備得到光滑的金剛石薄膜。滲硼預(yù)處理新方法既不破壞原有襯底光滑表面的精度和光潔度渗蚁，又能保證襯底的附著力束澄，有利于提高金剛石薄膜的光滑性。
2. 在滲硼溫度為950℃ 尖洞，滲硼時(shí)間為6h 妇张，滲硼劑為w(B₄C)=71%，w(KBF₄)=14%煞秤，w(稀土)=5%氏仗，w(Na₂CO₃)=10%的條件下，對(duì)于光滑硬質(zhì)合金表面上預(yù)處理后沉積金剛石涂層的附著力效果最為理想夺鲜，其附著力優(yōu)于酸洗研磨后的附著力皆尔，同時(shí)稀土在滲硼過(guò)程中起到了催滲作用，使得襯底表面的硼化物含量增加币励，有利于金剛石薄膜的沉積和附著力的提高慷蠕。
3. 本文研究采用不損傷襯底表面預(yù)處理新技術(shù)，在光滑的硬質(zhì)合金襯底表面食呻，獲得了滿足附著力要求的光滑金剛石薄膜流炕，對(duì)于解決常規(guī)金剛石薄膜因粗糙，拋光難度大而無(wú)法應(yīng)用在工模具和耐磨器件上的間題具有指導(dǎo)作用仅胞，同時(shí)有利于拓寬金剛石薄膜材料在摩擦磨損領(lǐng)域中的應(yīng)用每辟。