金剛石表面鍍覆納米Ti涂層

梁寶巖， 王明智， 王長通

(1.中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室， 河北 秦皇島 066004； 3.中原工學(xué)院 學(xué)報編輯部， 河南 鄭州 450007)

金剛石是一種非常重要的材料，具有極高的硬度和良好的耐磨性，同時具有高導(dǎo)熱性、抗腐蝕性和電絕緣性等優(yōu)良性能，在國民經(jīng)濟的多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是金剛石具有較高的化學(xué)惰性，導(dǎo)致其與結(jié)合劑之間粘結(jié)性較差。因此，金剛石工具在工作中，金剛石容易和胎體分離，從而極大地降低工具的使用性能及壽命。如何改善胎體和金剛石的結(jié)合狀態(tài)，是提高金剛石工具的工作效率以及延長其使用壽命的關(guān)鍵。采用多種鍍覆技術(shù)，比如電鍍和化學(xué)鍍[1]、氣相沉積[2-3]、真空微蒸發(fā)鍍[4]、熔鹽熱處理鍍覆[5-9]等技術(shù)，可實現(xiàn)在金剛石表面鍍覆金屬。通過這些技術(shù)在金剛石表面鍍覆金屬涂層組織，可有效地增強胎體對金剛石的把持力，從而顯著改善金剛石工具的使用性能。此外，通過鐵等金屬的腐蝕，金剛石表面會形成多孔形貌，這種工藝被稱為泡沫化[10-11]，目前已經(jīng)取得了良好的應(yīng)用效果。

對金剛石表面進行鍍覆所采用的化學(xué)鍍等技術(shù)可批量鍍覆金剛石，成本較低，但其缺點是工藝流程通常較為復(fù)雜，對鍍覆金屬粉體有一定的要求。而泡沫化技術(shù)的優(yōu)點在于僅采用馬弗爐把金屬粉末與金剛石粉末簡單混合，工藝很簡單，而且制備的金剛石表面多孔，基體對金剛石有較好的把持力。但是金剛石的泡沫化處理會損傷金剛石的表面，從而縮短其使用壽命。因此可以結(jié)合鍍覆和泡沫化兩種工藝的優(yōu)點，對金剛石表面進行處理，工藝既簡單，對金剛石的表面腐蝕也更弱些。

微波熱處理具有加熱速度快、加熱效率高等優(yōu)點，特別是具有選擇性加熱和產(chǎn)生物理化學(xué)效應(yīng)等特點，這是傳統(tǒng)熱處理技術(shù)所不具備的。微波熔鹽熱處理技術(shù)是在熱處理過程中引入熔鹽，可促進晶體的生長與發(fā)育，同時在較低溫度下實現(xiàn)金剛石表面的鍍覆處理。鑒于微波熱處理和熔鹽熱處理的優(yōu)點，本文將FeTi合金粉末與金剛石粉末混合，通過微波熱處理和微波熔鹽熱處理技術(shù)，使金剛石表面形成由納米Ti顆粒構(gòu)成的涂層，并對涂層的組織及形貌進行研究。

1 實驗

實驗原料為市購FeTi合金粉末(純度>99.0 %，平均粒度為50 μm)、金剛石粉末(粒度為50 μm和50 nm)。對于微波熱處理技術(shù)，分別稱取2.08 g FeTi粉末和0.96 g 金剛石粉末；對于微波熔鹽熱處理技術(shù)，則稱取2.08 g FeTi合金、0.96 g金剛石、1.5 g氯化鈉和1.5 g氯化鉀粉末。分別把以上粉末放入研缽中，手工研磨1 h，使它們混合均勻。把以上各混合粉體放入微波爐，在空氣中加熱。熱處理工藝為：溫度700 ℃和900 ℃，升溫速度100 ℃/min，保溫1 h，然后隨爐冷卻。

將熱處理后的樣品倒入鹽酸中，加熱鹽酸至40 ℃，并浸泡24 h，用堿中和至Ph值為7。然后用去離子水反復(fù)清洗試樣，以除掉試樣中的雜質(zhì)。用Rigaku Ultima IV轉(zhuǎn)靶X射線多晶衍射儀對合成的樣品進行物相分析(采用Cukα輻射)。用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Fei-Quanta250型)和能譜儀研究金剛石試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波熱處理鍍覆納米Ti涂層

圖1所示為FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)的混合粉體經(jīng)700 ℃和900 ℃微波熱處理得到的金剛石的X射線衍射(XRD)結(jié)果。從圖1可看出，熱處理得到的兩個樣品的衍射峰形狀基本相同；兩個樣品均由金剛石和Ti構(gòu)成，沒有其他雜相。這一結(jié)果表明，金剛石表面鍍覆上了Ti涂層。

圖1 FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)經(jīng)700 ℃和900 ℃微波熱處理得到的金剛石的XRD結(jié)果

圖2所示為FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)的混合粉體經(jīng)700 ℃微波熱處理得到的金剛石的顯微形貌。從圖2(a)可看出，金剛石表面比較平整，有一些細小的白色顆粒附著在其表面。從圖2(b)可清晰地觀察到金剛石表面有薄薄的一層涂層。對金剛石的表面進一步放大(見圖2(c))，可發(fā)現(xiàn)金剛石表面有一層致密的Ti涂層(經(jīng)能譜確認)。這一Ti涂層主要由納米級顆粒構(gòu)成，顆粒平均粒度約為35 nm。

根據(jù)以上研究可知，對FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)進行700 ℃微波熱處理，就可在金剛石表面獲得致密的Ti涂層。

2.2 微波熔鹽熱處理鍍覆納米Ti涂層

圖3所示為FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm和50 nm)經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理得到的兩種金剛石的XRD圖。從圖3(a)可看出，較粗的金剛石粉末(50 μm)經(jīng)微波熔鹽熱處理后的XRD圖與微波熱處理的結(jié)果(圖1)完全相同，即金剛石表面形成了單一的Ti涂層。但是從圖3(b)可看到，當(dāng)金剛石的粒度變?yōu)?0 nm時，產(chǎn)物中除了Ti，還出現(xiàn)了TiN、Fe2TiO4等物相。

圖4所示為FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理得到的金剛石的顯微形貌。從圖4可知，金剛石的表面形貌與微波熱處理得到的形貌(見圖2)基本相同。它們的主要區(qū)別在于，經(jīng)微波熔鹽熱處理，金剛石表面的Ti顆粒明顯長大。根據(jù)圖4(b)可辨別出金剛石表面的Ti顆粒的平均粒度約為50 nm。顯然，通過微波熔鹽熱處理可促進Ti顆粒的長大。

圖5所示為FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 nm)經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理得到的金剛石的顯微形貌。從圖5(a)可看出，試樣由大量幾十μm以及少量100 μm左右的顆粒構(gòu)成。從圖5(b)可看出，這些顆粒的表面由許多60 nm尺度的晶粒組成。由于金剛石的粒度為50 nm，因此可以推斷出納米金剛石發(fā)生了嚴重的團聚，從而形成巨大的團聚顆粒。而圖5(b)中尺度為60 nm的小顆粒應(yīng)該為金剛石的實際形貌。通過簡單的估算可知，其涂層的厚度達到5 nm。顯然這是因為納米級金剛石比表面積較大，容易誘發(fā)TeTi和空氣(N2和O2)發(fā)生反應(yīng)，從而形成TiN和Fe2TiO4。

(a) 2 000×

(b) 20 000×

(c) 80 000×圖2 FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)經(jīng)700 ℃微波熱處理并保溫1 h得到的金剛石形貌

圖3 FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm(a)和50 nm(b))經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理得到的金剛石的XRD結(jié)果

(a) 2 000×

(b) 40 000×圖4 FeTi合金粉末和金剛石粉末(50 μm)經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理得到的金剛石形貌

2.3 兩種技術(shù)鍍覆納米Ti涂層的機理分析

通過以上研究可知，采用微波熱處理技術(shù)和微波熔鹽熱處理技術(shù)，能夠在金剛石表面鍍覆Ti涂層。對于其表面形成Ti顆粒的機理，可作如下分析。

(a) 500× (b) 80 000×圖5 TiFe粉末和金剛石粉末(50 nm)經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理得到的金剛石形貌

首先，合金元素中含有Fe，而Fe元素會刻蝕金剛石，使其表面形成大量細小的納米級的凹坑。這些凹坑，凈化了金剛石的表面，具有較高的活性，有利于Ti鍍覆。

其次，與Fe元素相比，Ti元素對金剛石的親和力更強，會迅速擴散到其表面，并迅速形核并生長。而在熔鹽的作用下，相同的時間內(nèi)Ti元素的擴散速度更快，單位時間內(nèi)Ti晶粒生長速度更快。

最后，在金剛石表面會形成納米級Ti顆粒，這些Ti顆粒相互粘連，構(gòu)成了致密的Ti涂層。

基于以上分析可知，通過微波熱處理技術(shù)和微波熔鹽熱處理技術(shù)，可在金剛石表面形成尺度為35～50 nm的Ti顆粒，構(gòu)成輕度粗糙的表面。顯然，這有利于增強金剛石工具在使用過程中基體對金剛石的把持力。而納米級金剛石的鍍覆效果并不理想。

3 結(jié)論

采用微波熱處理技術(shù)和微波熔鹽熱處理技術(shù)對FeTi合金粉末和金剛石粉末進行處理，可在金剛石表面形成致密的Ti顆粒涂層，并得到如下結(jié)論：

(1) 在空氣中經(jīng)700 ℃和900 ℃微波熱處理，保溫1 h，在金剛石(50 μm)表面形成納米Ti涂層，納米Ti涂層由粒度為35 nm的Ti顆粒構(gòu)成。

(2) 在空氣中經(jīng)700 ℃微波熔鹽熱處理，保溫1 h，在金剛石(50 μm)表面也形成納米Ti涂層，Ti顆粒粒度為50 nm。對納米級金剛石(50 nm)鍍覆，TeTi合金粉與空氣中的N2和O2發(fā)生反應(yīng)，形成了TiN和Fe2TiO4。

(3) 金剛石表面納米Ti顆粒的形成機制為：首先，F(xiàn)e元素刻蝕金剛石，在其表面形成大量細小的凹坑；其次，Ti元素迅速擴散到金剛石表面，并迅速形核并生長；最后，在金剛石表面形成納米級Ti顆粒，從而構(gòu)成了致密的Ti涂層。