金剛石表面覆膜的方法及應用

麻東升

(天津冶金職業(yè)技術學院,天津 300400)

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金剛石表面覆膜的方法及應用

麻東升

(天津冶金職業(yè)技術學院,天津 300400)

主要介紹了在金剛石表面覆以金屬膜的方法，有利于提高金剛石與金屬胎體的粘結能力和結合強度，通過分析金剛石覆膜的基本原理，結合企業(yè)生產(chǎn)實踐，總結并歸納出兩種金剛石表面覆膜的方法，以便更好的應用于金剛石刀具的生產(chǎn)制造中，有效延長了金剛石刀具的使用壽命，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，進一步發(fā)揮、拓寬金剛石刀具的優(yōu)越性。

金剛石；表面覆膜；方法；應用

金剛石屬于自然界超硬度材料之一，在刀具制造業(yè)中廣泛應用，為了使金剛石與刀具的金屬胎體結合達到一定的強度，常采用機械夾裝式或焊接式，由于機械夾裝式受到?jīng)_擊載荷，使金剛石很容易脫落，導致金剛石刀具的使用成本很高，采用焊接技術制造的金剛石刀具能承受很大的沖擊力，有效延長了刀具的使用壽命，大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，但要完成金剛石與刀具的金屬胎體焊接，需要在金剛石表面覆以金屬膜(也成為覆膜)，由于金剛石的特殊性，金剛石表面覆膜的方法及應用尤為重要。

1 覆膜的作用

1.1 有效提高金剛石與金屬胎體的結合能力

金剛石刀具在制造過程中，因熱導系數(shù)存在一定差異，熱應力使結合區(qū)域容易出現(xiàn)微裂紋，導致金剛石刀具承受沖擊的能力急劇降低，大大縮短了刀具的使用壽命，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

1.2 增強了金剛石的強度

目前所用的金剛石都屬于人造金剛石的晶體，大多數(shù)都存在一定的內(nèi)部缺陷，如微裂紋、夾雜、微小空洞等，在金剛石覆以金屬膜過程中，一些微小的內(nèi)部缺陷，通過填充MoC金屬膜得到了一定程度上的彌補，常用的幾種磨料進行了合金(Cu-Sn-Ti)覆膜，其強度提高見表1。

通過上述數(shù)據(jù)可知、覆膜的磨料，其強度較覆膜前后分別提高了15.5%、50.7%、58.1%。

2 覆膜的基本原理

2.1 液態(tài)金屬與金剛石表面的潤濕性

液態(tài)金屬能連續(xù)均勻分布在金剛石表面上，液態(tài)金屬的潤濕性是覆膜的必要條件。通過熱力學實驗與分析得出，潤濕性能主要取決于液態(tài)金屬本身的表面張力。

表1 常見磨料覆膜前后的強度對比

2.2 覆膜過程的趨勢判斷

液態(tài)金屬在較高溫度下對金剛石表面覆膜，要求液態(tài)金屬與金剛石界面上發(fā)生物化反應，使之在表面生成一層金屬碳化物(即為覆膜過程)，并與金剛石刀具的金屬胎體元素成分相結合，從而提高胎體對金剛石的包鑲能力，判斷產(chǎn)生金屬碳化物的過程能否順利進行是必要的。金剛石與Fe、Ni、Mn、及Co等元素雖然能產(chǎn)生金屬碳化物，但非常不穩(wěn)定，很容易脫落，而與Ti、Cr、Zr、W、Mo和Nb等元素則能產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬碳化物，有效提高對金剛石的包鑲能力。

3 覆膜的方法

3.1 真空熔浸法

在真空條件下，將活性金屬元素與金剛石加熱到一定溫度(加熱溫度要根據(jù)活性金屬元素的熔點而定)，利用毛細管的原理使液態(tài)活性金屬元素滲入金剛石表面的微孔隙中，使之在金剛石表面形成一層金屬膜。該方法必須選擇一種表面活性劑作為熔劑[1]。熔劑可以去除金剛石表面污物，改善潤濕條件，也起到還原劑的作用。選用氯化物作為溶劑。

ZnCl2+H2O=Zn(OH)Cl+HCl或ZnCl2+2H2O=Zn(OH)2+2HCl，本文選Cu-Cr作為活性元素在金剛石表面覆膜，碳化物金屬膜與金剛石表面生成了中間界面。界面中金屬碳化物為Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6，界面厚度為6～12 μm，見圖1。

中間相界面上，Cu、Cr的含量分布是變化的，見圖2。由圖2可見：金剛石表面主要成分為Cr，覆膜表面主要成分為Cu。

3.2 真空混料沉積反應法

膏體金屬粉末與金剛石混合，加熱至使金屬蒸發(fā)(汽化)溫度并保溫，使金屬粉末沉積在金剛石表面，并在兩相界面生成MeC-Me金屬薄層，覆層厚度為0.5 μm～12 μm。覆膜與金剛石的結合強度達(9～17)×107N/m2。

3.2.1 影響覆層的主要因素

1)金屬覆膜的蒸汽壓。金屬粉末成分的蒸汽壓是生成MeC-Me層的先決條件[2]。純金屬的蒸汽壓由下面公式確定：

(1)

式中：P為半徑為r的粉末的蒸汽壓；P0為平面(r→∞)金屬原材料的蒸汽壓；σ為原材料的表面能；ρ為原材料的密度；M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)。

分析公式(1)可知，粉末粒度越小，蒸氣壓越大。因此應采用粒度細的金屬粉末作為原料，這樣當加熱溫度不高的條件下也有一定的揮發(fā)量。

2)粉末成分。蒸發(fā)是原子擺脫周圍原子引力的過程，因而物質(zhì)的表面能(表面張力)可以反映物質(zhì)的蒸發(fā)難易程度。物質(zhì)表面能越小，則越易蒸發(fā)，見表2。

表面張力小的元素，蒸汽壓力大，對沉積反應有利。所以金屬元素蒸汽壓力大小的順序為：Cr>Co(Ni)>Ti>Zr>Mo>W。

表2 常見金屬液態(tài)的表面張力值

3)保溫時間。根據(jù)金屬膜覆層厚度的要求，選擇并控制好保溫時間。

4)在覆膜中，選定了原材料和確定了合適的溫度后，隨著保溫時間的延長，膜的厚度δ和與金剛石表面的結合強度σ增加，而后δ值增加緩慢，σ值下降。見圖3和圖4。

3.2.2 真空混料沉積反應法的裝置(見圖6)

將金屬粉末和金剛石混合放入陶瓷舟槽內(nèi)，然后將陶瓷槽放入石英管中，依次開動前級泵和次級擴散泵，待系統(tǒng)壓力達到10-3mmHg后通電使加熱爐升溫，當溫度達到要求值后保溫。保溫時間到后切斷電源，冷卻至200 ℃關掉真空泵。

4 測試與分析

金屬覆膜后，進行測試與分析，檢驗其質(zhì)量。目前測試主要內(nèi)容為X光衍射，了解覆層的化學成分，見表3。

表3 原材料與覆層的成分

從表3得出，對于Mo覆層中的金屬成分比例較大；而Ti覆層中的碳化物比例較大。這表明前者加熱溫度偏低，而后者的加熱溫度偏高，因此通過覆層相分析，有助于覆層工藝參數(shù)調(diào)整。再次應用電子探針顯微分析儀可獲得界面的金屬成分的分布狀態(tài)[3]。圖7為覆Cr磨粒胎體的SEI和CrKαX-Ray線掃描圖。

圖7中可以看出，在界面處Cr的掃描線出現(xiàn)峰值[4]。并表明碳化物的分布規(guī)律其峰值是靠近磨粒的外側面，證實覆層是MeC-Me。圖8為覆Mo-W薄膜金剛石照片。

圖9為覆膜金剛石胎體，金剛石在胎體中出露相當高未脫落。圖10為未覆膜金剛石胎體。

5 結束語

在金剛石表面覆膜的方法中，真空熔浸法和真空混料沉積反應法制造的金剛石刀具經(jīng)過測試與分析相對于機械夾裝式制造的金剛石刀具在載荷強度、耐沖擊、疲勞載荷等方面有明顯優(yōu)勢，有利于延長金剛石刀具使用壽命，提高了生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，具有一定的應用價值。

[1] 李勁風,鄭鐵錚,嚴戊衡. 包覆膜對金剛石生長過程的作用研究[J]. 礦冶工程,1998(1):69-71.

[2] 張衡. 金剛石覆膜及其對提高工具壽命機理的研究[J]. 非金屬礦,1999(2):41-42.

[3] 李和勝,許斌,宮建紅,等. 高溫高壓下Fe-Ni-C系合成金剛石單晶的機理研究(下)[J]. 超硬材料工程,2010(3):5-10.

[4] 片岡，征二,彭惠民. 最新表面處理技術及應用[J]. 國外機車車輛工藝,2015(4):18-22+45.

Method and Application of Diamond Coated Surface

MA Dong-sheng

(Tianjin Metallurgical Vocation-Technology Institute, Tianjin 300400, China)

In the paper, the method of diamond surface is coated with metal film, which is conducive to improve the adhesive capacity and adhesive strength between the diamond and metal. Two kinds of method of diamond coated surface are summarized and induced by analyzing the basic principle of diamond film coating and combining practical production of enterprises so as to apply to the manufacture of diamond tool, prolong the service life of diamond tool, reduce the cost of production and exert the advantages of diamond tool.

diamond; diamond coated surface; method; application

2016-11-15

麻東升(1979-)，男，滿族，河北隆化人，講師，碩士，焊接技師，主要從事金屬熱加工、無損檢測技術的理論研與金剛石刀具制造等相關工作，E-mail：mdstj@163.com。

TB43

B

1008-9446(2017)03-0021-04