淺議金剛石表面金屬化的機理及作用

林鈾

摘 要：文章介紹金剛石表面金屬化的機理、模型及金剛石表面金屬化處理的作用。表面金屬化將大幅度提高金屬結合劑對金剛石的粘結能力，從而提高金剛石工具性能和延長金剛石工具的壽命。

關鍵詞：金剛石；表面金屬化；機理；作用

中圖分類號：TQ164 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）14-0179-02

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金剛石以其無以倫比的高硬度、高耐磨性以及優異的高導熱性和電絕緣性等一系列優良的綜合性能在國民經濟的許多領域具有廣泛的用途。

但由于金剛石顆料細小，絕大部分金剛石工具均以粉末冶金、鑲焊等方法使金剛石固定或嵌鑲在金屬合金基體中。如：金剛石砂輪、鋸片等金剛石工具。

大部分液態的金屬、合金對金剛石表面幾乎不潤濕，致使金剛石不能為一般熔焊合金所浸潤和焊接。使得金剛石與基體結合力較差，容易造成金剛石的早期脫落。

目前在我國金剛石工具中，金剛石的利用率僅為：60%～70%，即有30%～40%的金剛石過早脫落，造成金剛石工具的壽命低、性能差。

因此，探索金剛石和合金結合劑之間的可焊性，是實現加強金剛石工具中結合劑對金剛石的粘結能力，提高金剛石工具質量水平、使用壽命及整體性能的關鍵。

1958年美國通用電氣公司報導了以氫化鈦加入到Ag-Cu合金中，在金剛石工具的燒結中，由于氫化鈦的熱分解形成原子態的鈦，從而實現了對金剛石的焊接。之后許多研究者開始研究Ti、Cr、Zr、V等元素，加入到銅銀合金中，對金剛石浸潤性的影響。從而出現了真空中實現焊接金剛石的合金材料及工藝。西歐一些國家如英國、西德等早在20世紀80年代就已經在使用經過表面金屬化處理的金剛石，據他們統計使用表面金屬化的金剛石可延長30%～40%的使用壽命，可使金剛石工具中的金剛石濃度降低20%左右。

近幾十年以來，國內學者也在此方面做了大量的研究，開發了金剛石表面化學鍍和電鍍。在剖析金屬合金-金剛石結合界面微區結構的基礎上，提出了金剛表面金屬化的模型，從而在更廣的范圍內解決了金剛石的可焊性，并賦予金剛石以新的性能，擴大了金剛石的新技術應用。

1 金屬合金與金剛石表面的浸潤性

1.1 純金屬液體對金剛石的浸潤性

由于金剛石與一般金屬液體之間的界面能很高，所以大多數純金屬對金剛石的浸潤性很差。

浸潤角絕大多數都在90 ？觷以上。只有當1 100 ℃時，液態Al對金剛石的浸潤角為10 ？觷，但是在這個溫度下，液態Al對金剛石表面已有明顯的侵蝕，見表1。

還有其它金屬如：Fe、Co、Ni、Cr等純金屬熔點較高，而且對金剛石均有較嚴重的溶蝕。由于金剛石在常壓下，當能量足夠時，有向它的同素異性體石墨轉化的傾向，稱為金剛石的石墨化。金剛石在真空下的石墨化，開始于1 600 ℃～1 700 ℃，但在普通工業性生產的保護氣氛中，金剛石發生石墨化的溫度將大幅提前，所以一般認為金剛石工具的生產、制造溫度應應控制在1 300 ℃以下。所以，在金剛石工具的實際生產制造中，幾乎不存在既能浸潤熔焊金剛石，而又不嚴重浸蝕它的純液態金屬。

2 一些合金元素對金剛石的浸潤性的影響

許多實驗表明，低點較低熔點金屬（如：Cu ，Sn，Pb ，Ag，等）中加入少量的強碳化物生成元素（如：Ti，Cr，Zr，V，B等）后，可以改變這些金屬對金剛石的表面狀態，從而大幅改善這些金屬熔液對金剛石表面的浸蝕性，見表2。

研究表明，最有效地改善合金對金剛石浸潤性的活化金屬元素是強碳化化物形成元素，由于它們與金剛石表面發生界面反應，生成碳化物，而基體合金對碳化物有良好的潤濕性，從而促使了合金對金剛石的浸潤和熔焊。

3 合金對金剛石的浸潤程熔焊機理

少量加入的強碳化物加入到低熔點的合金中，在較低的溫度下發生液-固二相的界面反應，在金剛石的表面反應生長出性能十分穩定的金屬碳化物，它在金剛石晶體的外延生長，此時，銅合金可以對金剛石表面的碳化物形成良好的浸潤。此反應機理已為大量的表面微觀結構分析所證實。

4 金剛石與合金結合界面的微觀結構分析

由于金剛石的堅硬性經界面分析帶來許多困難，我們還是可以利用透身電鏡、X光結構分析，電子探針等設備以金剛石與合金結合界面的微觀結構作出分析。

4.1 合金元素的濃度分布

在對Cu-15%Ti合金在與金剛石結合的界面微區探測到強烈的元素偏析，在界面上掃描電鏡探測到70%或以上的Ti元素濃度，而在界面上的Cu的濃度只有30%左右，而在距離界面40 ？滋m之上，合金的成份就接近合金的整體成份。

4.2 界面的金相學觀測

通過對Cu-Ti合金與金剛石生成的界面進行顯微硬度測量，測得白色界面層的硬度大于HV1739，硬度值處于碳化物的硬度范圍。

4.3 界面的X-光結構分析

實驗表明：在距界面3 ？滋m時，開始出現TiC的譜線，當距界面2 ？滋m時，所有TiC的譜線全部出現。由此充分說明界面生成的就是TiC界面。

4.4 電子衍射分析

通過對透射電鏡對界面產生的衍射環與碳化鈦標準晶面產生的衍射環進行對比計算，結果表明界面生成物就是TiC。

5 金剛石表面金屬化的原理與模型

5.1 金剛石表面金屬化的原理

金剛石表面金屬化的原理在于希望在經過金屬化處理后的金剛石表面具有金屬特性，如可焊接性、導電性、可燒結性等。該表面層與金剛石晶體通過界面反應生成碳化物層，而具有強大的結合力，在金剛石工具正常的使用中不被剝落，導致掉料。且這個表面還應具有足夠的熱穩定性，在一般金剛石工具的制造中保持穩定。

5.2 金剛石表面金屬化的模型

根據金剛石表面金屬化原理的設想，金屬化層模型設計為：由3層材料組成。從里到外，第一層是生成碳化物層，一般厚度控制在幾百埃（■）到1000埃（■），它強固地生長在金剛石表面，因為一般碳化物的膨脹系數比金剛石大近10倍，所以此層不宜過厚，否則碳化物層與金剛石之間的內應力加劇，容易形成起皮。這層結構是實現金剛石表面金屬化的關鍵。第二層為幾微米厚的合金化層。為了使碳化物層與一般的低熔點合金所熔焊特別設計了這個合金化層。它對所生成的第一層碳化物層有極好的潤濕性與粘結性，可以選取鈷、鎳、銅等合金。合金化層的形成，使金剛石表面具有諸如：可燒結性、可導電性、可焊接性等的各項金屬特性。第三層為幾十微米厚的電鍍層，因為金剛石的線膨脹系數與所制造金剛石工具中合金胎體的線膨脹系數存在極大的差異。為減少內應力，特設計了這個緩沖層。這樣熱壓燒結等工藝生產的金剛石刀頭等工具在冷卻中會產生很大的內應力可以得到較大的緩解，特別是對于那些剛性較大的合金胎體，這個電鍍層可起到緩沖應力的作用。

6 金剛石表面金屬化的性能及應用

金剛石表面金屬化是指利用表面處理技術在金剛石顆粒表面鍍覆金屬，使其表面具有金屬或類金屬的性能。

金剛石經過表面金屬化處理后有以下的作用：

①可以較大地提高結合劑對金剛石的粘結能力。經過金屬化的金剛石表面因具有金屬的屬性，它將大大增強金屬基體對金剛石的嵌焊力。從而提高金剛石的利用率，延長金剛廠工具的壽命。

②由于在界面反應生成碳化物時，金剛石的、微裂紋、微空洞等一些內部缺陷得到彌補、修復，這有助于提高金剛石磨料的顆粒強度。

③在粉末冶金高溫燒結和金剛石工具進行高溫磨削時，表面的金屬化鍍層可以使金剛石與環境作有效的隔離，使之不發生石墨化、氧化等，起到隔離保護作用。

這些作用使金剛石工具的性能得到了大幅度的提升。筆者多年以來就從事金剛石表面金屬化和使用銅基、鐵基等粉末與經金屬化處理的金剛石燒結生產金剛石鋸片刀頭的生產、研究工作，將金剛石表面金屬化后的特性和優點應用在金剛石鋸片中，收到了良好的效果。

使用表面金屬化處理后的金剛石制作的金剛石鋸片，在使用中金剛石掉粒明顯減少，金剛石濃度可降低10%左右；鋸片壽命普遍可提高20%～35%，達到了預期的效果。

7 結 語

通過強碳化物生成元素與金剛石表面的界面作用可以實現金剛石表面金屬化，金剛石表面金屬化能較大地提高金屬結合劑對金剛石的粘結能力從而提高金剛石工具性能和延長金剛石工具的壽命。

金剛石表面金屬化的廣泛應用，對于降低生產成本、提高產品質量、延長工具壽命會起到了重要的推動作用。

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