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1、2 0 0 3年 2 月 第 1 3 3 期第 1 期 金刚石与磨料磨具工程 Di a mo n d&Ab r a s i v e s E n g i n e e ri n g Fe b2 加 3 S e r i a 1 1 3 3 No 1 文章编号：1 0 0 6 8 5 2 X(2 0 0 3)0 1 0 0 3 9 一o 4 金 刚石镀覆工艺与使用效果 的关 系 DI A MON D D E P OS I T I ON T E C HN I QU F A N D T HE I R A P P L I C AT I ON E F F E C T 王明智王艳辉张习敏(燕山大学 材料 学院
2、河北 秦皇岛 0 6 6 O O 4)Wa n g Mi n g z h i W a n g Ya n h u i Z h a n g X i mi n (Y a n s h a n U n i v e r s i t y，Q i n h u a n g d a o，t t e b e i P r o v i n c e 0 6 6 0 o 4)摘要：本文通过原子力显微镜(A r M)、X一射线衍射仪(X R D)、能谱仪(E D S)等分析了真空微蒸发镀 T i 的镀覆过程及 镀层结构。揭示了与其它金刚石表面镀覆工艺的区别，通过大量试验，证明了真空微蒸发镀覆正常条件下对金刚石性能 有利的影响
3、，即大幅度降低了金刚石在试验条件下的脱落率，提高T J,块破碎率。同时也指出了镀覆温度过高造成金刚 石大块破碎率异常增加进而影响工具使用性能的原因。本文认为只有正常的镀覆温度才可显示真空微蒸发镀覆的效 果。关键词：真空微蒸发镀覆；镀层结构；大块破碎 中图分类号：T Q 1 6 3 文献标识码：A Ab s t 喇：I n t h i s Ip e r，t h e d i ff e r e fi t d e p o s i ti o n t ech n i q u e s o f me t a ls o n t o d i a mo n d w e r e d i s c u s s e d a
4、 n d c o m p a r e dB y m e a n s o f AF M，X RD a n d E D S，t h e伽 s t r u c t u r e o f V a C I I II I Ii s l o w v a p o r d e p o s i ti o n w a s a n a l y s e d T h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m a g r e a t a mo u n t o f e x p e r i me n ts i n d i c a t e dt h a t，the v a c l l u m
5、s l o w v a p o r d e po s i ti o nme tho d h a d a l l s i g n i fi c a n t e ff e c t o nthe p r o p e r t i e s o fd i a mo n d u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n s Th e p u l 1 o u t p e r c e n t a g e o f d i a mo n dw a s g r e a tl y r e d u c e d a n dthe c r o-ff a c t u r e r a ti ow
6、a si n c r e a s e d I t a l s oi n d i c a t e dt h a t，t o o I l i g h d e p o s i t i o n t e mpe r a t u r e l e d t o a b n o r m a l i n c r e a s e o f ma c fi a c t u r e o f dia mo n d a n d d e t e r i o r a t e d the p r o p e r ti e s o f the dia mo n d t o o l s Ke ywo r d s：v a c u i l
7、 n i s l o wl y v a po r d e p o s i ti o n；c o a ti n g s t r u c tu r e；m a c r ofr a c t u r e 1 前言 热压或冷压+烧结 金属结合剂金 刚石工具 问世 以来，使用者和制造 者一 直在研究 怎样提 高金 刚石 的利用率 问题，根 据不 同时期 的研究结 果认 为金属 结合剂金刚石工具中的金 刚石 与结 合剂之间并无 发 生冶金结合，而是机械镶嵌于结合剂中，大部分金刚 石在工 具使 用过程 中非磨 削脱落，脱落 率竞 高达 6 2。针对这 样一 个惊 人 的数字，很 多 同行 开展 了 如何提高金
8、 刚石利用率或提 高结合剂对金 刚石 的把 持力方面的研究。研究的焦 点 自然是如何使金 刚石 与结合剂冶金结合 的问题。金刚石 由于表 面的高能 状态，很少与结合剂金 属 中非碳 化物元 素如 c u、s n、z n等发生键合，与弱碳 化物 F e、N i、M n、C o等发生石 墨化反应，不但没有键合，反而使金 刚石应用效果 大 幅度下降。T i、C r、M o、W 等碳 化 物形成元 素 可 以与 金刚石 反应并形成碳 化物，但这种方法很少 奏效，主 要原因是结合 剂 中碳 化物 元素含量 不能过 高，否则 会出现性能 变差等 问题。例如结 合剂 脆性 增大、使 国家重点科技攻关项 目(
9、“八五”一7 1 90 52 0 5)用性 能下降等，因而 只能少量加入，一般 T i、c r的加 入量不超过 2 ，这样少 的加入 量，在结合剂粉体 中 能够与金刚石接触的几率与它在结 合剂 中的比例一 致，即使 发生形成碳化物 的反应也贡献甚微，更何况 一般热压条件 下较高温度 保持时 间都很短(一 般不 超过数分 钟)，Mo、W 等 由于碳 化物 形成温 度更 高，就更难形成碳 化物 了。人们 充分认 识到 这一点，开 始研究如何在金刚石表面预镀一层能够与结合剂键 合的金 属，有人在表 面镀覆 N i，主要考虑 了 N i 可与 c u等主要结合剂元 素形成合金，但 N i 对 金刚石有
10、不 良反应，还有人 尝试用金 刚石 表面镀覆 N i+碳化 物 形成元素合金等方法解决这一 问题，但工艺麻烦，效 果也不会很好；经过大量研 究，认 识 到：只有在金 刚 石表面镀 覆 易于 形成碳 化 物 的元 素一T i、C r、M o、W 及其合金等才能获得预期的效果，只有金刚石表面 镀覆 了这些 强碳 化物形成 元素，金刚石 才能与 这些 元素充分形成碳化物，而外层的金属 T i、C r、Mo、W 具 有金属性质，能够很容易的与结合剂金属润湿并可 形成合金，从而 完成 了冶金结合 实现提 高结合 剂对 维普资讯 http:/ 金刚石与磨料磨具工程 总第 1 3 3期 金刚石 的把持力这
11、样的设想。在此基 础上先后发展 了真空蒸镀、磁控溅射镀、盐浴镀 及真空微蒸发镀 等 方法，其中真空蒸镀 和磁控溅射镀都 因为工 艺复杂、单次镀覆量少、低温下 没有 与金 刚石 表面形 成碳 化 物等问题而不能推广，盐 浴镀覆 因工艺繁琐、损伤金 刚石且后处理 困难等原 因也 不能大 面积应用；现行 应用十分广泛 并 已形 成完整 理论体 系、得 到 中外 同 行认可的是真空微蒸 发镀覆。2 真空微蒸发镀覆 之所 以称为真空微蒸发镀覆是因为该镀覆工艺的 特点是要有真空条件，其原理与蒸镀相类似。在真空 状态下，能够形成金属蒸汽的分压降低，在这样的温度 下 T i 原子活跃程度大大提高，可在短距离内
12、脱离 T i 颗 粒表面，当其遇到金刚石表面时，与金刚石表面的 C原 T N=5 5 0 0Q G 1 Cu r s o r：n0 0 0 k e v=0 F RI 2 7 M RY-0 0 01：0 6 ROI f 0 7 0 0 0 0：1 0 7 2 0 0 1 0o 000 W MZ 图 1 7 5 0 C 金 刚石镀钛 1 小时后的表现能谱 图 F i g 1 E DS o ft h e d i a mo n d c o a t e d a t 7 5 0 C 1 h o u r 子形成 T i C，并 以一定形式与金刚石保持键合关系，研 究证 明，金刚石表面存在悬键 J，这主要是提
13、供这种关 系的必要条件。这种结合是十分牢固的，实验证明，其 结合强度大于 1 4 0 M P a _ 3 J。对这种镀覆的过程进行 了 深入的研究，从图 1、2、3、4可见，在 7 5 0 条件下，金刚 石与 T i 形成 T i C在 l m i n之内开始出现，一般认为化合 物首先形成于金刚石表面缺陷处，该处悬键等有利条 件较多。并且在形成过程 中；金刚石表面的 C原子不 断通过形成 的 T i C层 扩散到 T i C表面，最终 由于镀层 厚度的增加，使得扩散困难，T i C外层 由于 C原子供应 不足而趋于贫 C状态，逐渐形成外层纯 T i 层，因而，真 空微蒸发镀覆 T i 后，其镀
14、层结构为金刚石一 T i c T i，这一点 已被证实，图 3为镀 T i 后金 刚石 表面能谱 曲 线，图中表明，真空微蒸发镀覆后金刚石表面只有纯金 属 T i，说明镀层外层确为纯 T i；图 4为金刚石 x _射线 图 2 7 5 0 C 金刚石镀钛 1 小时后的 X R D图谱 F i g 2 X R D o f the d i a mo n d c o a t ed at 7 5 0 C 1 h o ur 衍射图谱，由衍射图谱中可看到存在 T i、T iC及金刚石 的特征峰，结合图 3可证明镀层结构确如前述。0 图3 7 5 0 C 镀覆 l O 分钟后金刚石表面的 A F M照片 F
15、 i g 3 A F M o fthe dia mo nd c o a t ed at 7 5 0 C 1 0 mi n u t e s 0 图 4 7 5 0 C 镀覆 3 0分钟后金刚石表面的 A F M照片 r i g 4 AF M o fthe d i a mo nd c o a t ed at 7 5 0 C 3 0 m i n u t es 维普资讯 http:/ 第 1 期 王明智等：金刚石镀覆工艺与使用效果的关系 4 1 3 温度对镀覆后金刚石性能的影响 标与镀前相比有所变化，表 1 是几种金刚石镀覆前后 主要指标变化情况：从表 1中可见，不同原始强度的金 在正常的镀覆工艺条件
16、下，金刚石镀覆后各种指 刚石镀覆后强度方面都有不同程度自 强 高。表 1 真空微蒸发镀钛后金刚石强度变化情况 T a b 1 Di 钿nD 耐S t r e n g t h r V锹珊衄 o w W 0 r d l 蚰 正常镀覆工艺镀 覆 T i 的金刚石与未镀的在冲击 条件下相 比也表现了优异 的性能，从 图 5可见，正 常工 艺镀 T i 金刚石在冲击条件下其完好率大大高于未镀 覆金刚石，而脱落率则大大低于后者，从表 1和图 5可 以看到正常工艺条件下镀覆对金刚石使用中将会产生 的良好效果，有关 文献 的报道 也有 力 的证 明了这一 点 J。正因如此，真空微蒸发镀覆为行业 上广 大人 士
17、 所认可，本项技术得以迅速推广。但值得注意的是：镀 覆温度在很大程度上影响了镀后金刚石的使用效果，这一点在本文的试验中也明显地反映出来。6 0 5 0 40 3 0 1 皿 厂 20-l0 O 完好 小块破碎 大块破碎 磨平 脱落 口镀 T i 2 4 6 2 6 8 2 7 1 8 9 1 2 6 未镀 T i 2 3 2 6 1 2 5 4 5 9 4 0 4 口荸 正 常 tT i 2 2 l 4 8 5 9 8 4 6 l 8 6 图 5 正常镀覆、未镀 覆及 非正常镀 覆金刚石各种破坏 形式直方图 F i g 5 H i s t 0 f We a r 0 f D i s m 随着我
18、国加 入 wm，国产金 刚石质量 的评 价也 与国际接轨，在 国际上各 大型企业 比较公 认 的一项 重要性能指标 是冲击 强度，这一 指标也 列入 了我 国 国家标准，可见其 重要性。镀覆 温度过 高对金 刚 石 特别是 国产金刚石影响甚大。图 5表示 了金刚石 经 不同处 理后 的抗 冲击 性能，其 中非正 常镀覆 是金 刚 石在 8 1 0 镀覆 6 0 m i n的结果，大块破碎率竞高达 5 9 8，远远高于正常镀覆和未镀覆的，将对金刚石制 品的 使 用 效 果 造 成 巨 大 影 响，图 6是 国 产 4 5 5 0 M B I)R 金 刚石真空微蒸发镀 T i 不 同镀覆 温度条件
19、下 单颗粒强度、抗 冲击强度曲线，充分反 映了镀覆温度 对金 刚石性能的影响 J。Z 薷 巢 娶 番 镀覆温度 C 图 6 不同镀覆温度条件下金刚石性能变化情况 F i g 6 P r o p e r o f d i a m o n d a t v a r i o u s d e p o s i t e d t e m p e r a t u r e s 从大块破碎形貌分析，这样大 比例的大块破碎主 要是由于在 8 1 0 C 6 0 m i n 条件下，国产金刚石包裹体中 F e、N i、C o、M n等元素除热膨胀之外，还发生严重的石 墨化问题，这是十分重要的。严重的石墨化使金刚石 内表面
20、石墨体积极度膨胀，将会对金刚石造成很大的 拉应力，再复合石墨化的侵蚀作用、内部包裹体的膨 胀，进而导致金刚石大块破碎就很 自然了，大量试验表 明，这一现象发生 的敏感温度区间恰好是 8 0 0 以上。关于这一过程示意如图 7。这一过程的实际情况比较 复杂，还需进一步研究。G E公司和 D e B e e r s 公司的 相关研 究 也证 明了这 一 点。正常 镀覆 温 度一 般 是 7 5 0 C 6 0 m i n，在此温度下金刚石是安全的，包裹体单纯 的膨胀一般情况下还不足以造成大块破碎，本文图 5、6 都说明了这一 问题。维普资讯 http:/ 金 刚石 与磨料磨具 工程 总第 1 3
21、3 期 现在某些所谓真空微蒸发镀覆 由于没有理解该项 技术的真谛，盲 目仿制其外观和一般工艺过程，使本项 技术给人造成误解，例如，有仿 冒产 品也显示其镀覆温 度在 7 5 0 7 8 0 C，但测温位置有所 区别，图 8 a是正常 镀覆测温点 示意 图，图 8 b是非 正常镀覆测 温点示意 图，可见其区别。一一一 原 始状态 石墨化膨胀 引发裂纹 裂纹扩展 a 一正常 图 7 金刚石内包裹体引发石墨化一膨胀一产生裂纹一大块破碎示意图 F i g 7 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e o r r+e x p a n s i o r r+c r
22、a c I b l a k i n b i g l u mp 热 电偶 镀覆室 料罐 镀覆料 C正常 b 一非正常 d非正 常 图 8 正常与非正常镀覆温度测定点示意 图 F i g 8 S c h e ma ti c d i a g r a m o f t e m p e r a t u r e d e te r m i n a t i o n p o i n t s o f n o r m a l(a，c)a n d a b n o r m a l d e p o s i t i o n(b，d)从 图中可见，当正常镀覆时按 a图位置安放 热电 偶时，测温仪表测得 的 7 5 0 o C
23、是金 刚石在镀覆过程 中 实际温度；而图 8 b所示，如此 时测温仪表显示 7 5 0 o C，则金刚石实 际温度 已超过 8 0 0 o C，这种差别造成 金刚 石在镀覆后表面暗黑无光泽，使用过程 中易发生大块 破碎而丧失金刚石的优异性能。4 结论 大块破碎 4 1 平均温度为 7 5 O 的真空微蒸发镀覆 rr i 等金属 可提高金刚石单颗粒强度、冲击强度，尤为重要 的是大 幅度提高了小块破碎率、降低了非磨削脱落率，大大提 高了金刚石的使用性能，注意正确的测温位置；4 2 非正常镀覆条件下，特别是镀覆温度超过 8 0 0 C 时，随温度升高，金刚石单颗粒强度、抗冲击强度急剧 下降，该性能指
24、标的降低抵消了真空微蒸发镀覆对把 持力提高带来的好处；4 3 镀覆温度超过 8 0 0 o C，将发生金刚石 内包裹体对 其 内表面石墨化，由此产生的石 墨体积膨胀引发金刚 石大块破碎，从而降低了金刚石的利用率。参考文献 1 王艳辉 王 明智等 磨料磨具与磨 削，1 9 9 3，(2)：1 1 2 Y u VN a i d i c h I D R J ，1 9 8 4，(6)：3 2 7 3 王明智，王艳辉，臧建兵 微 蒸发镀 或 T i c r 合金对 工具烧 制 过程中金刚石的保护作用 J 金刚石与磨料磨具工程，1 9 9 6，(1)：7 9 4 Y m h u i Wa n g e t
25、a l：K e y E n g i n e e r i n gMa t e ri a l s 2 0 0 1(2 0 22 0 3)：1 4 7 5 Y m h u i Wa n g e t a l：K e yE n g i n e e ri n gMa t e ri a l s 2 0 0 1(2 0 22 0 3)：1 9 9 第一作者简介：王明智，1 9 5 3年生，燕 山大学研究 员，主要研究方向：超硬材料及制品。【收稿13期 2 0 0 2 1 01 4)(编辑：王孝琪)、展会信 息 2 0 0 3年德国纽伦堡国际石材展“德 国纽伦堡国际石材及石材加工技术展览会”是当今世界上最大的石材专业展之一，每两年定期在德 国纽 伦堡举办一次。展会的主要内容为：花岗石及大理石荒料、板材，石材加工技术及设备，板岩、砂岩制品，石雕石刻 制品，墓碑及仿石制品，矿山开采技术及设备，磨料磨具及小型加工机具，石材施工技术及设备，石材化工产品等。展会时间：2 0 0 3年 5月 2 9日 6 月 1日 一 一 维普资讯 http:/