SiC涂層對(duì)金剛石刀頭性能的影響

尹邦躍，張翠芳，董小雷，周新海，楊永波

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.河北小蜜峰工具集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050800）

金剛石工具中存在的把持力不足、金剛石脫落及氧化和石墨化等問題，嚴(yán)重影響了金剛石工具的使用壽命和切割效率。金剛石表面鍍覆Ti、Cr、W、Mo等金屬涂層是解決這些問題的有效方法［1］。這些金屬鍍層可與金剛石形成穩(wěn)定的金屬碳化物，改進(jìn)基體對(duì)金剛石的化學(xué)包鑲能力［1，2］。但是，這種金屬鍍覆技術(shù)只能適用于低、中Fe含量基體和低溫?zé)Y(jié)工藝；當(dāng)金剛石刀頭基體中的Fe含量超過60%或進(jìn)行1000℃以上高溫?zé)Y(jié)時(shí)，金剛石易被Fe侵蝕而發(fā)生氧化和石墨化，現(xiàn)有的鍍Ti等技術(shù)不足以保護(hù)金剛石［3-5］。在干法無心研磨 UO2和 MOX陶瓷燃料芯塊過程中，產(chǎn)生的高溫會(huì)降低金剛石砂輪的使用壽命。

2005年，美國(guó)金剛石創(chuàng)新公司推出SiC鍍覆金剛石新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)鍍Ti金剛石的氧化溫度為780℃，而鍍SiC金剛石的氧化溫度為980℃，甚至SiC涂層對(duì)金剛石的保護(hù)作用在1100℃高溫下仍然有效，因此SiC鍍覆金剛石可適用于高溫?zé)Y(jié)；而且，SiC涂層對(duì)Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Mn等有良好的潤(rùn)濕性，能提高金剛石的把持力，可改善在不同使用條件下的性能和壽命；在切割鋼筋混凝土的試驗(yàn)中，鍍覆SiC金剛石刀頭的使用壽命比普通鍍Ti金剛石刀頭使用壽命提高了14%～24% ；在鉆取石英巖的試驗(yàn)中，鍍覆SiC金剛石的鉆頭鉆進(jìn)效率比未鍍金剛石的鉆頭提高一倍；此外，由于可提高基體中的Fe含量，并可選用低級(jí)別的金剛石，這也使得制造金剛石刀具的材料成本降低［4-6］。

本實(shí)驗(yàn)探索金剛石的SiC涂層制備技術(shù)，并以機(jī)械合金化高Fe含量、Fe基合金粉末為基體，采用普通熱壓燒結(jié)工藝制備金剛石刀頭樣品，初步研究SiC涂層對(duì)鐵基金剛石刀頭的硬度和抗彎強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用45／50＃ 金剛石和鍍Ti金剛石顆粒，分別以金剛石＋Si＋I(xiàn)2混合粉末于1000℃～1200℃真空固相反應(yīng)（工藝A）及金剛石＋ 聚碳硅烷（PCS）溶液于1000℃～1200℃真空反應(yīng)（工藝B）兩種不同工藝制備SiC涂層。反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)鍍覆金剛石進(jìn)行過100目篩。

以Fe－Cu－Ni－X體系為金剛石刀頭基體的基礎(chǔ)配方（Fe含量不低于70wt%，X為少量 W、Mo、Ti、C等其它元素），并研究添加少量Zn、Sn、B4C對(duì)刀頭燒結(jié)工藝、硬度和抗彎強(qiáng)度的影響。參考王秦生等SiC磨料在金剛石刀具基體中的應(yīng)用，以改變基體的熱膨脹系數(shù)和耐磨性［7］的研究。本實(shí)驗(yàn)采用高能球磨對(duì)各元素粉末進(jìn)行機(jī)械合金化，球磨罐內(nèi)充高純氬氣保護(hù)，磨球?yàn)橹睆?mm的不銹鋼球。球磨結(jié)束后過200目篩，測(cè)得合金粉末的中位粒度為15μm。

將球磨好的Fe基合金粉末與20vol% 鍍覆SiC金剛石顆粒進(jìn)行均勻混合，稱重后裝入石墨模具。在TLZK2001型熱壓燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)致密，燒結(jié)工藝完全與實(shí)際生產(chǎn)相同，燒結(jié)溫度為920℃～930℃，空氣氣氛，升溫和保溫累計(jì)時(shí)間約為9min，脫模后即得到尺寸為（40×10×3）mm的長(zhǎng)條形刀頭樣品。

用WCT－2C型差熱分析（DTA）儀測(cè)試金剛石與其它混合粉末的反應(yīng)溫度。用DMAX－RB型X射線衍射（XRD）儀分析鍍覆金剛石的相結(jié)構(gòu)。將刀頭樣品表面用金相砂紙研磨后，在HR－150A型洛氏硬度計(jì)上測(cè)定刀頭的硬度HRB，計(jì)算5個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)的平均值。按YB／T5349－2006標(biāo)準(zhǔn)，在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定刀頭樣品的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，跨距為30mm，計(jì)算5個(gè)測(cè)定數(shù)據(jù)的平均值。用ZEISS EVO18型掃描電鏡（SEM）觀察鍍覆金剛石的表面微觀形貌，并觀察抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)斷口的微觀斷裂特征。

2 結(jié)果和討論

2.1 SiC涂層工藝

從金剛石－Si二元相圖（圖1所示）計(jì)算結(jié)果來看，Si可與金剛石發(fā)生固相反應(yīng)生成β－SiC涂層，但生成溫度較高，高于1200℃。由于Si與金剛石都有非常穩(wěn)定的原子鍵，原子擴(kuò)散速度非常低，即使在高溫下，Si與金剛石之間的化學(xué)反應(yīng)速率也很低。并且理論上金剛石與脆性的Si或SiC涂層的界面結(jié)合力較低。

圖2（a）為差熱曲線分析結(jié)果顯示，添加少量I2后，Si與金剛石的反應(yīng)溫度可降低至940℃左右；這主要是由于高溫下形成SiI4氣相，促進(jìn)了Si與金剛石的化學(xué)反應(yīng)。從圖2（b）可見，再添加Ti和C之后，在520℃時(shí)出現(xiàn)一個(gè)放熱反應(yīng)，可能是形成TiSi2的反應(yīng)。

圖1 金剛石－Si二元相圖Fig.1 Binary phase diagram of diamond－Si

圖2 混合物的差熱（DTA）分析曲線Fig.2 DTA curve of mixture

圖3是含不同涂層金剛石顆粒的XRD相結(jié)構(gòu)圖?？梢?，在鍍Ti金剛石顆粒表面并未探測(cè)到Ti或TiC等第二相，也許可能是由于涂層中Ti含量很低、未能探測(cè)到的原因。在圖4（a）中可見鍍Ti金剛石表面比較光滑，圖5（a）的能譜分析結(jié)果顯示，在鍍Ti金剛石顆粒表面可探測(cè)到少量元素Ti的存在。

圖3 含涂層金剛石顆粒的XRD相結(jié)構(gòu)圖Fig.3 XRD graph of diamond grains with coating

圖3（b）和（c）表明，工藝A和B制備的金剛石顆粒表面均存在少量的β－SiC顆粒。在圖4（b）顯示含SiC涂層的金剛石顆粒表面SEM形貌也比鍍Ti金剛石表面要粗糙，而且金剛石的六角形棱角并未被腐蝕破壞。圖5（b）能譜分析結(jié)果顯示，在SiC涂層金剛石表面可探測(cè)到Si等元素（此外還發(fā)現(xiàn)一定量的Ti）。圖4（c）顯示涂層薄而均勻。

2.2 SiC涂層對(duì)金剛石刀頭硬度和抗彎強(qiáng)度的影響

表1列出了不同基體成分和金剛石涂層所組成的刀頭的硬度和抗彎強(qiáng)度測(cè)定數(shù)據(jù)。從表1可見，如果以Fe－Cu－Ni－X（16＃）和為Fe－Cu－Ni－XB4C（20＃）為基體，金剛石鍍Ti處理，則熱壓燒結(jié)刀頭的硬度大于 HRB116，平均抗彎強(qiáng)度大于840MPa。按照歐洲EN13236標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超硬磨料磨具的安全要求，手持式切割機(jī)砂輪的抗彎強(qiáng)度必須高于600MPa，固定式和移動(dòng)式切割機(jī)砂輪的抗彎強(qiáng)度必須高于450MPa。顯然，16＃ 和20＃ 刀頭的切割能力和安全性都能夠滿足設(shè)計(jì)要求，特別是在20＃ 樣品中，添加少量高熔點(diǎn)、高硬度的B4C粉末之后，由于彌散強(qiáng)化作用，硬度和強(qiáng)度均得到較大提高。

然而，由于基體中Fe含量不低于70%，且低熔點(diǎn)元素含量較低，導(dǎo)致刀頭燒結(jié)溫度較高。為了適當(dāng)降低燒結(jié)溫度，探索在Fe－Cu－Ni－X基體中再加入2%～4% 低熔點(diǎn)的Zn、Sn。

測(cè)試表明，如果以Fe－Cu－Ni－X－Zn為基體，鍍Ti金剛石刀頭（23＃）的硬度和強(qiáng)度與Fe－Cu－Ni－X（16＃）相比均明顯降低，尤其是強(qiáng)度僅為367MPa，低于450MPa的最低安全許可值；用工藝A和工藝B分別制備的SiC涂層金剛石刀頭（23－1＃、23－7＃、23－8＃）的性能都進(jìn)一步降低，強(qiáng)度為233～332MPa，同樣不能達(dá)到安全使用的要求。

圖4 含不同涂層金剛石顆粒的SEM形貌Fig.4 SEM image of diamond grains with different coating

圖5 含不同涂層金剛石顆粒表面的EDS能譜圖Fig.5 EDS spectrum diagram of diamond grain appearance with different coating

以Fe－Cu－Ni－X－Sn為基體，用工藝B制備的SiC涂層金剛石刀頭（25＃、26＃）的硬度和強(qiáng)度相對(duì)于Fe－Cu－Ni－X－Zn體系（23＃）都有明顯提高，尤其是強(qiáng)度分別為467和502MPa，已經(jīng)提高到450MPa以上，但仍然大大低于Fe－Cu－Ni－X體系（16＃）的刀頭強(qiáng)度。

以Fe－Cu－Ni－X－Zn－B4C為基體，鍍Ti金剛石刀頭（24＃）的硬度為 HRB107.8，強(qiáng)度為428MPa，比Fe－Cu－Ni－X－Zn體系（23＃）有較大提高；用工藝A制備的SiC涂層金剛石刀頭（24－1＃、24－2＃）的強(qiáng)度分別為413和410MPa，而用工藝B制備的SiC涂層金剛石刀頭（24－7＃、24－8＃）的強(qiáng)度分別為375和458MPa，24－8＃ 與24＃的性能水平相似。但對(duì)比24－7＃ 和24－8＃，可見對(duì)金剛石顆粒先鍍Ti，再鍍SiC涂層，硬度和強(qiáng)度都有一定程度的提高。

表1 金剛石刀頭的硬度和抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 1 Data of hardness and bending strength of diamond segment

以Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C為基體，用工藝B制備的SiC涂層金剛石刀頭（27＃、28＃）的硬度為HRB114.5和HRB118，非常接近Fe－Cu－Ni－X（16＃）體系的硬度；抗彎強(qiáng)度分別為555和543MPa，與24－7＃ 和24－8＃ 相比提高較多。

總之，將各體系刀頭的硬度和強(qiáng)度進(jìn)行排列，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

硬度：

Fe－Cu－Ni－X－B4C＋ 鍍 Ti金剛石（HRB120.7）＞Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C＋ 鍍Ti金剛石＋SiC涂層（HRB118）＞Fe－Cu－Ni－X＋鍍Ti金剛石（HRB116.2）＞Fe－Cu－Ni－X－Zn－B4C＋ 鍍Ti金剛石（HRB107.8）＞Fe－Cu－Ni－X－Zn＋鍍Ti金剛石（HRB101.7）。

強(qiáng)度：

Fe－Cu－Ni－X－B4C＋ 鍍 Ti金剛石（949MPa）＞Fe－Cu－Ni－X＋ 鍍Ti金剛石（847.5MPa）＞Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C＋ 鍍Ti金剛石＋SiC涂層（543MPa）＞Fe－Cu－Ni－X－Zn－B4C＋ 鍍Ti金剛石（428MPa）＞Fe－Cu－Ni－XZn＋鍍Ti金剛石（367MPa）。

在Fe－Cu－Ni－X基體中分別添加2%～4%低熔點(diǎn)的Zn和Sn，仍以鍍Ti金剛石為切割顆粒，硬度和強(qiáng)度都將降低，尤其以添加Zn的體系降低最多。若分別以Fe－Cu－Ni－X－Zn和Fe－Cu－Ni－X－Sn為基體，無論是添加少量B4C彌散強(qiáng)化相，還是改以SiC涂層金剛石為切割顆粒，刀頭強(qiáng)度都將降低，但其中Fe－Cu－Ni－X－Sn體系的強(qiáng)度相對(duì)較高，大于450MPa最低安全要求值，硬度接近Fe－Cu－Ni－X－B4C體系。

預(yù)計(jì)以Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C為基體，優(yōu)化Sn的含量和熱壓燒結(jié)工藝，無論是選擇金剛石直接鍍SiC涂層還是先鍍Ti、再鍍SiC涂層，都可使刀頭獲得很高的硬度和較高的強(qiáng)度，硬度可能超過HRB110，抗彎強(qiáng)度可望超過600MPa的安全要求值。

2.3 斷口微觀組織特征

圖6 金剛石刀頭抗彎斷口的SEM微觀組織特征Fig.6 SEM image of bending fracture of diamond segment

圖7 Fe－Cu－Ni－W－Sn－B4C＋鍍Ti、鍍SiC金剛石刀頭的斷口能譜分析Fig.7 Energy spectrum analysis on fracture of Fe－Cu－Ni－W－Sn－B4C＋Ti－coated and SiC－coated diamond segment

圖6所示為金剛石刀頭抗彎試驗(yàn)斷口的SEM微觀組織。由（a）、（b）可見，當(dāng)基體中含有較多 W、Mo、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素時(shí)，鍍Ti金剛石表面形成明顯的碳化物涂層，而且刀頭會(huì)有較高的硬度和抗彎強(qiáng)度；由（c）、（d）可見，當(dāng)基體中含有Sn時(shí)，相對(duì)而言，鍍SiC金剛石表面的擴(kuò)散反應(yīng)層更加明顯，形成多孔狀的反應(yīng)產(chǎn)物，這可能是導(dǎo)致強(qiáng)度降低的主要原因。

圖7的EDS能譜分析證明，金剛石表面附著產(chǎn)物的元素主要是91.14%Fe、6.17%Cu、2.69%Ti。

3 結(jié)論

（1）用金剛石＋Si＋I(xiàn)2混合粉末（工藝A）、或金剛石＋ 聚碳硅烷（PCS）溶液（工藝B）于1000℃～1200℃真空反應(yīng)，均能在金剛石表面制備出SiC涂層；

（2）若基體含有Zn、Sn等低熔點(diǎn)元素，鍍SiC金剛石刀頭的強(qiáng)度略低于鍍Ti金剛石；添加少量B4C，可以起彌散強(qiáng)化的作用；對(duì)金剛石先鍍Ti、再鍍SiC，可使刀頭的硬度和強(qiáng)度進(jìn)一步提高；

（3）由Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C基體＋ 鍍Ti、鍍SiC涂層金剛石組成的刀頭，其硬度為HRB118，抗彎強(qiáng)度為543MPa；

（4）刀頭的性能同時(shí)受到基體成分和金剛石涂層的影響，F(xiàn)e－Cu－Ni－X－B4C體系和SiC涂層金剛石將是今后很有吸引力的實(shí)驗(yàn)嘗試。

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