等离子体溅射对微型钻头表面...层结合特性及摩擦性能的影响_罗春峰.pdf

等离子体溅射对微型钻头表面ta-C涂层结合特性及摩擦性能的影响罗春峰胡健陈成屈建国（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东深圳 518000）摘要无氢类金刚石涂层（ta-C）常用于提高刀具表面润滑性，提升极细微型钻头的排屑性能，降低断刀率。但ta-C涂层内应力大，与硬质合金钻头间的结合力较差，等离子溅射是提升涂层与基体之间结合力的有效方法。本文利用离子源产生的氩离子对硬质合金微型钻头和样块表面进行等离子体溅射，研究基体电流密度对基体表面形貌的影响；再利用阴极弧技术在等离子体溅射后的硬质合金表面制备ta-C涂层，研究不同溅射基体电流密度对ta-C涂层结合特性的影响。利用球盘式摩擦磨损试验机对溅射后的硬质合金表面以及ta-C涂层摩擦系数进行测试。通过钻孔测试，研究钻孔过程中基体电流密度对涂层与基体结合特性以及涂层微型钻头断刀率的影响。结果表明，随着溅射基体电流密度的增加，基体表面钴含量逐渐减少。压痕测试结果显示，合理的溅射基体电流密度（19.1 mA/cm2）下，可得到高结合力等级（HF1）。高结合力等级的ta-C涂层，摩擦系数最低为0.096。涂层钻头加工通信印制电路板1000 孔后，高结合力ta-C涂层钻头的槽内涂层无异常脱落，测试1000 支后无断刀。关键词等离子体溅射；ta-C涂层；结合特性；摩擦性能；微型钻头Effect of Plasma Sputtering on Adhesion Characteristics and Friction Properties ofta-C Coatings on Micro DrillsLuo ChunfengHu JianChen ChengQu Jianguo（Shenzhen Jinzhou Precision Technology Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518000,China）ABSTRACTHydrogen-free diamond-like carbon coatings(ta-C)are often used to improve the lubricity of tools and chipremoval performance of ultra-small micro drills to decrease the fracture ratio.The internal stress of ta-C coatings,however,is large,which leads to poor adhesion with cemented carbide drills.Plasma sputtering is an effective method to improve theadhesion between coatings and substrates.In this study,the argon ion produced by the ion source was used for plasmasputtering on the micro drills of cemented carbides and sample blocks,and the influence of the current density of thesubstrate on its surface morphology was investigated.ta-C coatings were prepared on the surface of cemented carbides afterplasma sputtering by cathode arc technology,and the effect of different current densities of sputtered substrates on the作者简介：罗春峰（1979-），男，硕士研究生，深圳市金洲精工科技股份有限公司总经理，工程师，主要从事PCB用氮化物涂层与类金刚石涂层技术开发。E-mail:。DOI：10.3969/j.issn.1003-7292.2023.01.003引文格式：罗春峰，胡健，陈成，等.等离子体溅射对微型钻头表面ta-C涂层结合特性及摩擦性能的影响J.硬质合金，2023,40（1）：16-25.LUO C F,HU J,CHEN C,et al.Effect of plasma sputtering on adhesion characteristics and friction properties of ta-C coatings on microdrillsJ.Cemented Cabides，2023,40（1）：16-25.2023年2月Feb.2023第40卷第1期Vol.40 No.1硬质合金CEMENTED CARBIDES材料科学与工程第40卷印制电路板的主流加工技术是钻孔技术，由于高端印制电路板厚度大、孔径小、单位面积孔密度大的特点，要求加工用微型钻头的长径比更大、钻头尺寸更细。这种类型的钻头，由于直径细，且要钻入板材深度大，因此排屑空间更小，切屑排出更困难。微型刀具的常用材料为硬质合金，硬度为1820 GPa1，摩擦系数较高约为0.60.82-3。在更小的排屑空间、更困难的排屑条件下，微型钻头很容易因排屑不畅而影响加工效率、孔壁粗糙度和孔位精度，严重的会引发断刀4。因此，需要降低硬质合金表面的摩擦系数，提高微钻的排屑能力。类金刚石涂层（DLC）由于其摩擦系数低、硬度高、化学性质稳定等特点，被广泛应用于刀具、模具、汽车等领域5-7。在刀具应用方面，类金刚石涂层具有不易与金属发生反应的优势，可用于加工铝、铜等有色金属，避免切屑粘刀问题8。其摩擦系数低的特点更适用于微型钻头，尤其是小直径、大长径比的钻头。加工印制电路板时，可加速切屑排出，减少切屑塞积，提高孔壁质量和孔位精度，提升加工效率，降低断刀的风险。类金刚石涂层分为无氢类金刚石涂层（ta-C）和含氢类金刚石涂层（a-C：H)9。由于无氢类金刚石涂层硬度和机械性能均优于含氢类金刚石涂层，因此更适用于切削加工。无氢类金刚石涂层在工业化生产过程中，最大的问题是涂层与基体结合力差10。物理气相沉积（PVD）技术是制备ta-C涂层的主流技术，主要包括阴极弧技术、磁控溅射技术、脉冲激光弧技术等。涂层前等离子体溅射是提升涂层与基体之间结合力的关键步骤。常规的涂层前等离子体溅射主要是先利用高压辉光放电，再对基体进行金属离子刻蚀。但金属离子溅射过程中，由于阴极弧的放电特性，会在溅射基体的同时附着一定数量的大颗粒，这些大颗粒将会影响基体的表面粗糙度11。由于PCB用小直径、大长径比微型钻头排屑空间的限制，这些大颗粒也会影响切屑的排出，易导致钻头折断。氩离子是常用的溅射离子，在溅射过程中，仅使用氩离子对基体进行轰击刻蚀，不会引入大颗粒。氩离子溅射不仅可以去除表面杂质，还将改变基体表面的形貌、元素分布，溅射的强弱程度，直接影响涂层与基体之间的结合力和涂层的性能。Wasy等研究了不同氩气流量对不锈钢以及硬质合金表面DLC涂层结合力影响。在合理的氩气流量下进行等离子体溅射，可降低基体表面粗糙度，涂层后的摩擦系数从0.15降低到0.12，得到较高的结合力12。Morshed等研究了不同溅射时间对不锈钢、CoCr及Ti6Al4V表面 DLC涂层结合力的影响，结果显示长时间溅射将导致基体温度提高，涂层结合力降低13。Jones等研究了不同偏压下氩溅射对不锈钢表面 DLC 涂层结合力的影响。偏压增加到600 V后，基体表面粗糙度降低，涂层结合力提升14。然而，溅射时单位时间内到达基体表面的离子数量对微型钻头表面的刻蚀形貌、ta-C涂层与硬质合金基体之间的结合力以及溅射后表面摩擦性能影响并不明确。本文系统研究不同的溅射基体电流密度对硬质合金微型钻头表面形貌、无氢类金刚石（ta-C）涂层与基体的结合特性、涂层摩擦性能以及涂层微型钻头加工性能的影响。1 实验方法1.1 样品制备所用硬质合金样块尺寸为16mm16mm4.5mm，adhesion characteristics of ta-C coatings was studied.In addition,the friction coefficients of sputtered cemented carbidesurface and ta-C coatings were tested by a ball-on-disk friction and wear tester.The drilling test was then conducted tostudy the adhesion between coating and substrate during drilling and the influence of adhesion on the fracture ratio.According to the result,the content of cobalt on the substrate declines as the current density of the sputtered substrateincreases.The indentation test shows that an appropriate current density(19.1 mA/cm2)of the sputtered substrate can leadto high adhesion level(HF1).The lowest friction coefficient of ta-C coatings with high adhesion is 0.096.After drilling 1000 holes in the printed circuit board for communication,the drill with high-adhesion ta-C coatings sees no abnormalshedding of the coatings in the flute,and micro drills do not break after processing 1000 pieces.KEY WORDSplasma sputtering;ta-C coating;adhesion characteristics;friction properties;micro drill罗春峰，胡健，陈成，屈建国：等离子体溅射对微型钻头表面ta-C涂层结合特性及摩擦性能的影响-17硬质合金第40卷硬质合金微型钻头为深圳市金洲精工科技股份有限公司市售 USF 0.25-5.0 mm（钻径 0.25 mm，刃长 5.0mm）微型钻头。硬质合金样块与微型钻头经过碱洗、去离子水超声清洗后，用100 热空气烘干，置于真空室中的基体架上。基体架接通负偏压，用于吸引离子完成等离子体溅射或ta-C涂层沉积。涂层沉积前，单位时间内利用不同数量的氩离子对基体进行溅射处理，为了避免基体架尺寸对结果的影响，通过基体电流密度（达到基体的离子流与基体面积的比值）表示到达基体的离子量。溅射时，基体偏压为600 V，溅射时间10 min。通过控制离子源的放电参数，得到不同的溅射基体电流密度分别为9.7、19.1、25.6 mA/cm2。随后，利用阴极弧技术在溅射后的基体表面制备无氢类金刚石（ta-C）涂层，涂层厚度为（2545）nm。不同表面处理得到的样品编号如表1所示。1.2 测试及分析方法利用扫描电镜（JSM-6701F，日本电子，日本）观察溅射后硬质合金微型钻头表面形貌以及涂层前后压痕形貌，通过EDS分析样品表面元素含量。利用压痕法对涂层与基体之间的结合力进行评估，测试时施加的载荷为588 N，保荷时间8 s。结合力等级对照VDI 3198(1991)标准进行评估，HF