真空微蒸發鍍鉻金剛石的制備與性能表征＊

張向紅，王艷輝，臧建兵，張金輝

（1.河北建材職業技術學院 材料工程系，河北 秦皇島 066004）

（2.燕山大學 材料學院，亞穩材料制備科學與技術國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004）

（3.唐山學院 環境與化學工程系，河北 唐山063000）

金剛石由于具有超高的硬度而被廣泛應用于加工玻璃、陶瓷、石材和混凝土等非金屬硬脆材料[1]。金剛石工具常用的結合劑主要有金屬結合劑、樹脂結合劑和陶瓷結合劑等3 大類型[2]。由于金剛石是非金屬，與一般金屬或合金間有很高的界面能，因此金剛石與金屬結合劑的浸潤性能差、基體對金剛石的把持力小，在使用過程中金剛石容易發生脫落[3-5]；對于陶瓷結合劑金剛石磨具，由于磨具多采用冷壓成型工藝，在大氣環境下燒結而成，為保證陶瓷結合劑的完全燒結，往往需要在較高的燒結溫度下保溫一定的時間，這就為金剛石的氧化分別提供了氧源條件、溫度條件和時間條件，因此金剛石的氧化問題一直以來是陶瓷結合劑金剛石工具制造亟須解決的一個問題[6-10]。

為更好解決金剛石磨具的上述應用問題，國內外科研學者對金剛石表面進行了鍍覆工藝和鍍覆材料的研究。常見鍍覆工藝有化學鍍、電鍍、物理氣相沉積、真空微蒸發鍍等，鍍覆材料有Ti、Si、Cr、Ni、Mo、Fe、Cu、W、Co、Ni-W、Ni-Mo、Ni-Zr、Fe-Co、Co-W 等金屬或合金[11-14]。這些鍍覆金剛石或應用于金屬結合劑，或應用于陶瓷結合劑，有助于抑制高溫條件下金剛石顆粒的石墨化與氧化腐蝕、提高金剛石顆粒強度、改善金剛石與基體的結合、增強結合劑對磨粒的把持力，有效地減少了磨粒脫落，提高了工具的使用壽命和加工效率。

本研究采用真空微蒸發鍍覆工藝制備了鍍鉻金剛石，分析了不同鍍覆增重的鍍鉻金剛石的物相組成，研究了鍍覆金剛石增重與鍍層厚度之間的關系，為鍍鉻金剛石的進一步應用提供性能參考。

1 試驗

1.1 鍍鉻金剛石的制備

采用真空微蒸發鍍覆工藝制備鍍層。沉積原理及鍍覆工藝曲線見圖1。首先，將粒度代號為170/200 目金剛石和粒徑約1 μm 的Cr 粉混合均勻，按圖1b 所示工藝進行鍍覆。加熱階段，鉻蒸汽環繞在每顆金剛石顆粒周圍并在其表面進行沉積；沉積結束后，將殘余氣體抽出，反應室內真空度繼續維持在10-3Pa，鍍覆金剛石隨爐冷卻至室溫。

圖1 Cr 鍍層真空微蒸發鍍工藝Fig.1 Cr deposition process through one pot reaction in a vacuum reactor

1.2 鍍鉻金剛石的結構和厚度分析

運用XRD 分析儀（Model D/Max 2500PC Rigaku，日本）分析鍍鉻金剛石的物相組成；建立理想模型，利用鍍層質量增加獲得鍍層的理論厚度。

1.3 鍍層的SEM 觀察

將鋁硼硅玻璃粉與金剛石按質量比3∶1 混合均勻，裝入石墨試模以90 MPa 壓力保壓3 min，壓制成40 mm ×8 mm × 2.5 mm 的長方體試樣，干燥后在大氣環境下850 ℃保溫燒結120 min 后隨爐冷卻。利用粒度代號為320 目水砂紙對復合材料進行磨削試驗，然后在酒精溶液中超聲振動30 min，烘干后在掃描電鏡下觀察被磨掉表層的鍍鉻金剛石顆粒。通過觀察金剛石顆粒的斷面結構，得出較為準確的鍍層厚度值。

2 試驗結果及討論

改變鍍覆溫度和保溫時間，得到質量分別增加10%、20%、30%和65%的鍍鉻金剛石，如表1。

表1 不同鍍覆工藝條件的鍍Cr 金剛石Tab.1 Cr-coated diamond prepared under different parameters

圖2為質量增加不同的鍍鉻金剛石的XRD 圖譜。從圖2可以看出：各鍍鉻金剛石上均出現了金剛石和Cr3C2衍射峰；隨著鍍層的增厚，金剛石衍射峰減弱，Cr7C3衍射峰出現并逐漸增強。Cr3C2和Cr7C3衍射峰的出現，表明鍍覆過程中，金剛石與鉻鍍層界面處的C 原子與Cr 原子發生了碳化物形成反應，界面結合為化學結合。在此值得關注的是，鍍層的物相組成可以通過控制鍍層厚度來實現。

圖2 不同鍍覆工藝條件下的增加不同質量的鍍Cr 金剛石的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of Cr-coated diamond particles with different weight gains

鉻是強碳化物形成元素。在鍍覆過程中，鉻蒸汽在金剛石表面沉積，與金剛石表面的碳原子可能發生的界面反應有[15]：

標準狀態下式（1）的 ΔGT=-10 500-0.3T，式（2）的ΔGT=-14 200-1.39T，式（3）的ΔGT=-16 400-1.2T。[15]從ΔGT的計算結果，可以看出在鍍覆溫度為850～950 ℃下，Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6均能生成。但ΔGT＜ 0 是反應能夠進行的必要條件，并不是充分條件。ΔGT是個狀態函數，只與反應的始末有關，不考慮反應發生的過程，而一個反應在進行過程中還會遇到各種阻力。

Cr 原子和C 原子相互擴散反應的原理見圖3。C的原子半徑為0.91 ?，Cr 的原子半徑為1.85 ?。因為C原子半徑比Cr 原子半徑小，所以C 原子擴散速度比Cr 原子快，擴散的路程更遠。從金剛石基體到鉻鍍層方向，C 原子逐漸減少，Cr 原子逐漸增多。故若Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6均能生成，那么從金剛石基體到鉻鍍層，應由低Cr 比例的碳化物向高Cr 比例的碳化物逐漸過渡，即為Cr3C2-Cr7C3-Cr23C6。

圖3 Cr 鍍層與金剛石基體間的擴散反應機理Fig.3 Schematic of diffusion reaction of Cr coating and diamond grit

所生成碳化物結構受擴散速率、沉積時間及Cr 原子的數目（鍍層厚度）的影響，當Cr 原子數量不足時生成Cr3C2，Cr 原子數量充足時生成Cr7C3，Cr 原子過剩時則生成Cr23C6。在本鍍覆條件下均沒有Cr23C6生成，且對于質量增加10%的鉻鍍層，由于鉻鍍層較薄、Cr 原子數目較少，所以只出現Cr3C2；隨著鉻鍍層變厚，Cr 原子數目增多，在鍍層質量增加為20%時，逐漸有Cr7C3出現。

為研究鍍覆增重與鍍層的厚度之間的聯系，假設：

（1）金剛石為理想的立方體結構，金剛石顆粒的半徑r等于立方體邊長；

（2）鍍層均勻連續地包裹金剛石表面，且鍍層與金剛石基體未發生化學反應。

金剛石鍍層厚度計算示意圖如圖4所示。

圖4 金剛石鍍層厚度計算示意圖Fig.4 Schematic for calcalating coating thickness

當鍍層厚度為δ時，立方體的邊長為 (r+2δ)，則鍍層體積 ΔV為：

因為m=ρv，所以，鍍層質量mCoat和金剛石質量mDia分別為：

鍍覆金剛石的質量增加 ΔmCoat為：

將式（5）、式（6）代入式（7）可得：

對于一定粒度的鍍鉻金剛石顆粒，鍍層密度 ρCoat、金剛石密度ρDia和金剛石顆粒半徑r是已知量，因此，鍍覆金剛石的質量增加 ΔmCoat和鍍層厚度δ存在對應關系，在已知 ΔmCoat的情形下，可計算出對應的鍍層厚度δ。

本試驗所用金剛石粒度代號為140/170 目，顆粒半徑為90～106 μm，則r取中間值98 μm；金剛石密度取3.54 g/cm3，鉻的密度為7.20 g/cm3，計算得到不同鍍覆金剛石對應的鍍層厚度，見表2。根據表2數據，繪制如圖5所示的鍍覆金剛石質量增加 ΔmCoat與鍍層厚度δ的關系圖。由圖5可見，鍍層的質量增加與鍍層厚度基本呈線性關系。

表2 不同質量增加對應的鍍層厚度Tab.2 Coating thickness with different coating gains

圖5 鉻鍍層厚度與其質量增加的關系Fig.5 Relationship between coating weight gain and coating thickness

考慮到金剛石的顆粒形狀不是理想模型的立方體和鍍層與金剛石基體可能有相互擴散反應，所以計算的理論鍍層厚度可能與實際鍍層厚度存在一定的差別。為檢驗該計算模型的可信程度，運用SEM 測試了質量增加10%和65%的鍍鉻金剛石鍍層厚度，其SEM 圖片如圖6所示；并將其與理論計算值進行比較。

圖6 Cr 鍍層鍍層厚度的SEM 圖Fig.6 SEM of Cr-coated diamonds for coating thickness

圖6a、圖6b 分別為質量增加10%和65%的鍍鉻金剛石的SEM 照片。從圓圈處可較明顯地見到鉻鍍層，測量其厚度并計算平均值，分別為0.79 μm 和5.00 μm，與理論計算值0.77 μm 和4.76 μm 基本相符。

3 結論

采用真空微蒸發鍍覆工藝，以鉻粉和金剛石為原料，通過控制鍍覆溫度和保溫時間可得到不同鍍覆增重的鍍鉻金剛石。

（1）在金剛石粒度尺寸一定時，鍍覆金剛石的質量增加與鍍層厚度之間存在對應關系，可根據質量增加計算相應的鍍層厚度。

（2）鉻鍍層與金剛石基體為化學結合，鍍層結構由里及表為Cr3C2/Cr7C3，Cr7C3含量隨著鍍層的增厚而增多。

（3）鍍層物相組成與鍍層厚度密切相關。厚度較薄時，鍍層物相只有Cr3C2，隨著鍍層的增厚，逐漸有Cr7C3出現，故可通過控制鍍層厚度控制鍍層的物相組成。