鍍敷金剛石在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理探討(上)

馮海洲,董書山

(1.泉州眾志新材料科技有限公司，福建 泉州 362012；2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012)

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鍍敷金剛石在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理探討(上)

馮海洲1,董書山2

(1.泉州眾志新材料科技有限公司，福建 泉州 362012；2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012)

文章分別對燒結(jié)后鍍敷金剛石表面狀態(tài)及元素分布、鍍敷金剛石與胎體接壤部位的元素分布和顯微硬度值進(jìn)行了觀察與檢測，以及對試樣的抗彎強(qiáng)度和實(shí)際工具的切割性能進(jìn)行了測試。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明，鍍層中的Ti很容易擴(kuò)散到金剛石周圍約一個(gè)粒徑范圍內(nèi)的胎體中，提高了該局部胎體區(qū)域的機(jī)械性能，達(dá)到了改善工具的實(shí)際切割性能的效果。

鍍敷金剛石；元素分布；顯微硬度；Ti；擴(kuò)散；機(jī)械性能

1　前言

目前通用的金屬結(jié)合劑類金剛石工具是將金屬粉末和金剛石磨?；旌虾鬅Y(jié)制成的，其中金剛石磨粒依賴金屬結(jié)合劑的支撐作用把它固結(jié)在胎體中進(jìn)行切削工作。由于金屬結(jié)合劑與金剛石的性質(zhì)存在巨大差異，并且二者在實(shí)際切削工作中各自的作用完全不同，因此我們可以很形象地把這個(gè)組合看做是“堅(jiān)固的金剛石作為前鋒在前線戰(zhàn)斗，而相對柔軟的金屬胎體則是寬厚的基礎(chǔ)，為前鋒提供能源及各種支援”。如此看來，作為基礎(chǔ)的金屬結(jié)合劑如何為前鋒——金剛石提供支援是極其重要的,其中結(jié)合劑對金剛石的固位把持能力將直接決定金剛石工具的使用性能。

通常都認(rèn)為，結(jié)合劑對金剛石的把持力不外乎三種：機(jī)械鑲嵌力、物理吸附力、化學(xué)結(jié)合力。其中物理吸附力力量很小，可以忽略，幾乎所有的研究工作都是關(guān)注機(jī)械鑲嵌力和化學(xué)結(jié)合力。目前形成的共識是機(jī)械鑲嵌力主要取決于胎體的質(zhì)量；而由于金剛石與金屬結(jié)合劑之間有很高的界面能，較難以形成化學(xué)結(jié)合，因此將金剛石表面進(jìn)行金屬化處理是一個(gè)有效的辦法。

2　問題提出

對金剛石進(jìn)行鍍敷處理，在其表面覆蓋一層Ti 或 Cr 等強(qiáng)碳化物形成元素，并設(shè)法使其與金剛石表面C原子形成化學(xué)鍵合，是目前行業(yè)內(nèi)常用的方法。筆者在比較不同鍍敷金剛石的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更有趣的現(xiàn)象，那就是鍍敷層金屬會(huì)被胎體完全吸收，出現(xiàn)這種狀況反而是工具的使用效果最好的；反之，若在金剛石表面能夠觀察到大量的黏附物，特別是大塊皮膚狀附著物時(shí)，反而是采用鍍敷金剛石制作的工具在實(shí)際切割時(shí)表現(xiàn)最差的。如圖1：

圖1　實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)迥異的鍍敷金剛石工具斷口觀察Fig.1　Observation of the fracture surface of the plated diamond tools of different performancea:實(shí)際切割性能較好的鍍敷金剛石工具;b:實(shí)際切割性能不好的鍍敷金剛石工具

如此看來，似乎鍍敷金剛石依靠形成化學(xué)鍵合層來提高把持力的理論并不正確？

筆者查閱了大量的資料，對于金剛石表面金屬化的原理林增棟老師已經(jīng)闡述得非常清楚，其原理示意如圖2：

圖2　金剛石表面金屬化模型Fig.2　Model of metallization of diamond surface

文獻(xiàn)[11]提到碳化物層的厚度僅為0.1μm,且該碳化物層的形成條件是1150℃、5min、14.7MPa，這個(gè)條件在一般金剛石工具中是很難達(dá)到的。

但是經(jīng)過十幾年的探索，目前已發(fā)展了多種金剛石鍍敷方法，特別是燕山大學(xué)王艷輝老師等人采取的真空微蒸發(fā)鍍在較低溫度下即可完成在金剛石表面生長碳化物層[7]。查閱眾多資料，眾人的研究都是關(guān)注于鍍敷層與金剛石的界面反應(yīng)研究[9-10]，僅有少數(shù)提到了鍍敷層選擇與金屬結(jié)合劑匹配的問題，但并未深究如何匹配;另外還有李晨輝等人發(fā)現(xiàn)了鍍敷層溶解并擴(kuò)散入結(jié)合劑中的現(xiàn)像，并推測了鍍敷層擴(kuò)散融入胎體改變了結(jié)合劑的性能[8]。這與筆者觀察到的現(xiàn)象完全相符，而且筆者還在實(shí)際切割測試中發(fā)現(xiàn)，即使沒有使樣塊的抗彎強(qiáng)度增加的鍍敷金剛石，也會(huì)對工具的實(shí)際使用效果有所改善。

關(guān)于金剛石鍍層在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理問題，大家都認(rèn)為是鍍層提高了胎體與金剛石表面的化學(xué)結(jié)合力，但是在實(shí)際生產(chǎn)條件中，鍍層是如何發(fā)揮作用的？并沒有人能夠解釋。而在實(shí)際應(yīng)用中，很多人知道存在這樣的現(xiàn)狀：鍍敷金剛石有時(shí)的確會(huì)提高工具的性能，有時(shí)卻不會(huì)有明顯的作用，在某些時(shí)候反而存在降低工具性能的作用。這說明我們對鍍層在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理還并不了解。筆者設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)，以期能夠發(fā)現(xiàn)一些線索，供同行參考。

3　試驗(yàn)方法

采用6種結(jié)合劑，因需要測試工具的實(shí)際使用性能，故這些結(jié)合劑采用的是實(shí)際驗(yàn)證過的配方，其中使用了部分合金粉，微量元素都是以合金粉的形式加入的。其元素成分見表1：

表1 各試樣的配比說明

Table 1　The formula of each sample

以這6種試樣為基礎(chǔ)加入相應(yīng)金剛石后制作試塊以及制成230激光焊接鋸片。對試塊分別測量其硬度、抗彎強(qiáng)度，并在顯微鏡下觀察斷口處的金剛石及凹坑；對樣塊在掃描電鏡下觀察其金剛石與胎體的組織狀態(tài)，并應(yīng)用EDS測試金剛石及附近胎體的元素分布狀態(tài)；對樣塊測量金剛石附近的顯微硬度；將 230激光焊鋸片實(shí)際切割測試，比較其差異。

4　結(jié)果及分析

4.1各樣塊的機(jī)械性能測量

從表2的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較看，A、B、E為同一種偏Cu基胎體，在此結(jié)合劑中，鍍敷料的提升抗彎強(qiáng)度的效果明顯，而兩種不同鍍敷金剛石的區(qū)別則看不出來；D、F為同一種偏Fe基胎體，鍍敷料對抗彎強(qiáng)度的影響幾乎觀察不到。C與D相比成分類似，只是Cu含量略多一些，抗彎強(qiáng)度的變化則稍有差異。這是否能夠說明鍍敷金剛石對Cu基胎體的影響更大一些？

表2　　各試樣的機(jī)械性能測量值

4.2在普通光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下各樣塊斷口狀態(tài)及元素分布狀態(tài)

樣塊A：

光學(xué)顯微鏡照片optical microphotograph

樣塊A中可看到金剛石本色，且表面光滑，坑底也光滑，存在少量黏附物。肉眼觀察不到鍍敷層。

SEM照片SEM image

可看到金剛石表面有鍍敷的痕跡。

金剛石表面的元素分布element distribution on diamond surface

可看到有少量Ti、Fe、Sn存在。

金剛石與胎體接壤部位的元素分布element distribution at the interface of diamond and matrix

在樣塊A金剛石表面檢測出Ti元素，無Cr，其余與胎體元素相同，金剛石表面只有少量Ti均勻分布，Ti在金剛石與胎體接觸界面上有明顯富集，但胎體中的量明顯更多，應(yīng)該是Ti向胎體中有明顯的擴(kuò)散行為。

樣塊B：

光學(xué)顯微鏡照片optical microphotograph

在試樣B中可看到金剛石表面有較厚較多的黏附物，坑底有明顯的蝕坑痕跡。

SEM照片SEM image

可看到金剛石表面有較厚的鍍層。

金剛石表面的元素分布element distribution on diamond surface

樣塊B中金剛石表面未發(fā)現(xiàn)Ti元素，Cr元素也黏附在金剛石表面分布，與表面黏附物完全吻合。

金剛石與胎體接壤部位的元素分布element distribution at the interface of diamond and matrix

可觀察到Cr幾乎未進(jìn)入胎體，僅黏附在金剛石表面，Ti的量遠(yuǎn)小于Cr，但在胎體和金剛石表面均有分布，且更多地分布在胎體中，推測該鍍敷金剛石應(yīng)是CrTi混合鍍，其中Cr占主要成分。從元素分布照片看，Ti很容易擴(kuò)散到胎體中；而Cr不易擴(kuò)散，主要以碳化物形式存在于鍍層位置。

樣塊C：

光學(xué)顯微鏡照片optical microphotograph

在試樣C中可看到金剛石表面與坑底光滑，僅有少量顆粒狀黏附物。

SEM照片SEM image

金剛石表面有明顯蝕坑，應(yīng)為鍍敷過程中產(chǎn)生，且鍍層在燒結(jié)過程中大部分遷移了。

金剛石表面元素分布element distribution on diamond surface

除了C元素，只能觀察到Cu、Fe元素，這是胎體元素透過了鍍層遷移到了金剛石表面。

金剛石與胎體接壤部位的元素分布element distribution at the interface of diamond and matrix

金剛石表面有微量的Ti和極少量的Cr存在，Cr基本分布在胎體部位，應(yīng)為胎體中帶有的Cr，且在與金剛石接觸位置較富集；Ti則主要位于胎體部位。

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Discussion on the Mechanism of the Functioning of Plated Diamond in Metal Bond

FENG Hai-zhou, DONG Shu-shan

(1. Quanzhou Zhongzhi New Materials Technology Co., Ltd., Quanzhou, Fujian 362012;2.NationalKeyLaboratoryofSuperhardMaterials,JilinUniversityChangchun,China130012)

The surface states and element distribution of the plated diamond after sintering and the element distribution and microhardness at the interface of plated diamond and matrix have been observed and detected. The bending strength of the sample and the cutting performance of the actual tool have been tested. Result shows that the Ti in the plating is prone to spread to the matrix around diamond within a particle size range. Therefore, the mechanical performance of the local matrix area has been improved which helps to improve the actual cutting performance of the tool.

plated diamond; element distribution; microhardness; Ti ; spread; mechanical performance

2015-08-15

馮海洲(1972-)，男，項(xiàng)目總工程師，長期從事金屬結(jié)合劑超硬材料制品的生產(chǎn)與研發(fā)工作。 E-mail：fenghhz@aliyun.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0026-05

引文格式：馮海洲,董書山.鍍敷金剛石在金屬結(jié)合劑中發(fā)揮作用的機(jī)理探討[J].超硬材料工程，2016，28(3)：26-30.