超硬材料表面熔鹽處理形成鈦鋁化合物涂層的研究

梁寶巖，韓丹輝，張旺璽，王艷芝，張宗超，金晨曦，梁赟浩

（1．中原工學院，材料與化工學院，鄭州 451191；2．金剛石技術國家地方聯合工程實驗室，鄭州 451191；3．中原工學院，科技處，鄭州 451191；4．鄭州恒之銳磨具科技有限公司，鄭州 450006）

金剛石具有高硬度、高耐磨性，此外還具有高導熱性和電絕緣性等一系列優良的綜合性能，因此其在國民經濟的許多領域具有非常廣泛的用途。但由于金剛石與結合劑之間粘結性極差，會導致磨料在工作中易與胎體分離，從而降低了金剛石工具的性能及使用壽命。因此，改善金剛石與基體的結合強度是提高加工效率和使用壽命的重要因素。在金剛石表面鍍覆一層涂層組織是有效的方法，目前已經有化學鍍及電鍍［1，2］、真空物理氣相沉積［3，4］、真 空微蒸發鍍［5］、熔鹽鍍覆［6－9］等工藝在金剛石表面鍍覆金屬，并取得了良好的使用效果。

采用熔鹽法在金剛石表面鍍覆Ti等金屬，具有工藝簡單、易于操作、鍍層厚度容易控制以及無需特殊設備，從而直接形成金屬碳化物等優點。文獻［6、7］采用熔鹽法在金剛石表面鍍Ti。文獻［8］采用熔鹽法在金剛石表面鍍Cr。以上熔鹽法在金剛石表面鍍覆金屬，均為鍍覆Ti等單質金屬元素，相應的鍍覆元素成本較高，本文擬在Ti金屬原料中摻雜適量的Al，通過熔鹽法在金剛石或cBN等超硬材料表面鍍覆鈦鋁化合物，從而達到顯著降低原料成本的目的。

本實驗采用熔鹽反應法，用Ti、Al和金剛石（或cBN顆粒）為原料，以實現金剛石或cBN表面鍍覆含鈦鋁化合物。

1 實驗

實驗原料為市購Ti粉（純度＞99．0%，平均粒度為53μm），Al粉（純度＞99．0%，平均粒度為53μm），金剛石粉或cBN（粒度為74～100μm）。把混合好的含金剛石物料與等質量的氯化鈉和氯化鉀（二種鹽類的質量相同）混合均勻。具體原料組成如表1所示。把原料混合粉體放入微波爐中加熱，通入氬氣進行保護。熔鹽合成的熱處理工藝：升溫速度為100℃／min，900℃保溫2h，然后隨爐冷卻。取出熔鹽試樣后，用去離子水反復清洗試樣，以除掉試樣中的鹽類。用Rigaku Ultima IV轉靶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Fei－Quanta250型場發射掃描電子顯微鏡并結合能譜儀研究和分析材料的顯微結構。

表1 原料的組成．Table 1 Composition of raw materials

2 結果與分析

圖1為 （a）Ti／Al／金剛石與（b）Ti／Al／cBN 經熔鹽熱處理后得到的XRD結果。從這兩張圖可觀察到熔鹽處理后得到的產物組成為金剛石／cBN、Ti、Al和Al3Ti相。兩個試樣的XRD譜圖基本相同，有所區別的是Al和Ti衍射峰強度略有差異。這一結果表明，原料粉體經過反應合成了Al3Ti相。

圖1 不同原料經熔鹽熱處理后得到的XRD結果Fig．1 XRD of the samples by salt molten treatment from different raw materials

圖2 為Ti／Al／金剛石經熔鹽處理后得到的試樣的顯微形貌。由圖2（a）可見，熔鹽產物由兩部分組成，一部分為Al3Ti為主相的產物，另一部分為金剛石。從圖2（a）中可觀察到金剛石表面比較干凈。對圖2（a）中的“A”區域放大至圖2（b），可觀察到 Al3Ti相主要為顆粒狀，大小約為1～6!m，相互之間粘連。對圖2（a）中的金剛石“B”區域放大至圖2（c），可觀察到金剛石表面形成了比較致密的涂層，對金剛石涂覆得較好。大量灰色的Al3Ti顆粒狀的組織密密麻麻地生長在黑色Ti涂層（通過EDS確認）上，這些顆粒組織比較細小，平均粒度約為0．4!m。因此可以推斷，首先在金剛石表面形成Ti涂層，然后形成Al3Ti涂層。

圖3為Ti／Al／cBN經熔鹽處理后得到的試樣的顯微形貌。由圖3（a）可見，cBN表面比較光滑平整。將圖2（a）放大至圖2（b），類似圖2（c）的形貌，通過能譜確認，黑色是Ti涂層，灰白色為Al3Ti組織。有所區別的是，Al3Ti組織的粒度較大，大小約為0．5～4!m。

圖2 Ti／Al／金剛石經熔鹽處理后得到的產物的顯微形貌Fig．2 Morphology of product after salt molten treatment from Ti／Al／Diamond

圖3 Ti／Al／cBN經熔鹽處理后得到的cBN的顯微形貌Fig．3 Morphology of CBN after salt molten treatment from Ti／Al／CBN

通過以上研究可知，經過熔鹽處理Ti／Al／超硬材料，在超硬材料表面會復合涂層組織。從以上研究可知，首先在超硬材料上形成Ti涂層，然后形成了Al3Ti涂層。TiC或TiB2組織并沒有通過XRD與EDS確認下來，這表明金剛石表面形成了非常少量的TiC或TiB2，超出了XRD檢測的極限；或沒有形成這兩種物相。然后，由于Al和Ti形成Al3Ti較容易，也容易發生自蔓延反應，反應迅速完成，從而在Ti涂層上形成Al3Ti組織。因此在超硬材料表面主要形成的是Ti涂層以及其上的含少量的Al3Ti組織。

3 結論

通過熔鹽處理Ti／Al／超硬材料體系，可在超硬材料表面形成鈦鋁化合物涂層組織形貌。得到如下結論：

（1）Ti／Al／超硬材料經熔鹽處理后得到的產物組成為金剛石／cBN、Ti、Al和Al3Ti相。

（2）對于Ti／Al／超硬材料經體系來說，在金剛石表面會先形成Ti涂層，然后在其表面形成Al3Ti顆粒組織。在金剛石表面上形成的Al3Ti顆粒組織平均粒度約為0．4!m，在cBN表面上Al3Ti顆粒組織粒度約為0．5～4!m。

參考文獻：

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