鍍敷金剛石在金屬結合劑中發揮作用的機理探討(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.吉林大學超硬材料國家重點實驗室，長春 130012)

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鍍敷金剛石在金屬結合劑中發揮作用的機理探討(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.吉林大學超硬材料國家重點實驗室，長春 130012)

文章分別對燒結后鍍敷金剛石表面狀態及元素分布、鍍敷金剛石與胎體接壤部位的元素分布和顯微硬度值進行了觀察與檢測，以及對試樣的抗彎強度和實際工具的切割性能進行了測試。數據分析的結果表明，鍍層中的Ti很容易擴散到金剛石周圍約一個粒徑范圍內的胎體中，提高了該局部胎體區域的機械性能，達到了改善工具的實際切割性能的效果。

鍍敷金剛石；元素分布；顯微硬度；Ti；擴散；機械性能

1　前言

目前通用的金屬結合劑類金剛石工具是將金屬粉末和金剛石磨?；旌虾鬅Y制成的，其中金剛石磨粒依賴金屬結合劑的支撐作用把它固結在胎體中進行切削工作。由于金屬結合劑與金剛石的性質存在巨大差異，并且二者在實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組合看做是“堅固的金剛石作為前鋒在前線戰斗，而相對柔軟的金屬胎體則是寬厚的基礎，為前鋒提供能源及各種支援”。如此看來，作為基礎的金屬結合劑如何為前鋒——金剛石提供支援是極其重要的,其中結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。

通常都認為，結合劑對金剛石的把持力不外乎三種：機械鑲嵌力、物理吸附力、化學結合力。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注機械鑲嵌力和化學結合力。目前形成的共識是機械鑲嵌力主要取決于胎體的質量；而由于金剛石與金屬結合劑之間有很高的界面能，較難以形成化學結合，因此將金剛石表面進行金屬化處理是一個有效的辦法。

2　問題提出

對金剛石進行鍍敷處理，在其表面覆蓋一層Ti 或 Cr 等強碳化物形成元素，并設法使其與金剛石表面C原子形成化學鍵合，是目前行業內常用的方法。筆者在比較不同鍍敷金剛石的優缺點時卻發現了一個更有趣的現象，那就是鍍敷層金屬會被胎體完全吸收，出現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，反而是采用鍍敷金剛石制作的工具在實際切割時表現最差的。如圖1：

圖1　實際應用中表現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:實際切割性能較好的鍍敷金剛石工具;b:實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[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，這個條件在一般金剛石工具中是很難達到的。

但是經過十幾年的探索，目前已發展了多種金剛石鍍敷方法，特別是燕山大學王艷輝老師等人采取的真空微蒸發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，眾人的研究都是關注于鍍敷層與金剛石的界面反應研究[9-10]，僅有少數提到了鍍敷層選擇與金屬結合劑匹配的問題，但并未深究如何匹配;另外還有李晨輝等人發現了鍍敷層溶解并擴散入結合劑中的現像，并推測了鍍敷層擴散融入胎體改變了結合劑的性能[8]。這與筆者觀察到的現象完全相符，而且筆者還在實際切割測試中發現，即使沒有使樣塊的抗彎強度增加的鍍敷金剛石，也會對工具的實際使用效果有所改善。

關于金剛石鍍層在金屬結合劑中發揮作用的機理問題，大家都認為是鍍層提高了胎體與金剛石表面的化學結合力，但是在實際生產條件中，鍍層是如何發揮作用的？并沒有人能夠解釋。而在實際應用中，很多人知道存在這樣的現狀：鍍敷金剛石有時的確會提高工具的性能，有時卻不會有明顯的作用，在某些時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合劑中發揮作用的機理還并不了解。筆者設計了以下實驗，以期能夠發現一些線索，供同行參考。

3　試驗方法

采用6種結合劑，因需要測試工具的實際使用性能，故這些結合劑采用的是實際驗證過的配方，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種試樣為基礎加入相應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，并應用EDS測試金剛石及附近胎體的元素分布狀態；對樣塊測量金剛石附近的顯微硬度；將 230激光焊鋸片實際切割測試，比較其差異。

4　結果及分析

4.1各樣塊的機械性能測量

從表2的抗彎強度數據比較看，A、B、E為同一種偏Cu基胎體，在此結合劑中，鍍敷料的提升抗彎強度的效果明顯，而兩種不同鍍敷金剛石的區別則看不出來；D、F為同一種偏Fe基胎體，鍍敷料對抗彎強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　　各試樣的機械性能測量值

4.2在普通光學顯微鏡和電子顯微鏡下各樣塊斷口狀態及元素分布狀態

樣塊A：

光學顯微鏡照片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，應該是Ti向胎體中有明顯的擴散行為。

樣塊B：

光學顯微鏡照片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中金剛石表面未發現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幾乎未進入胎體，僅黏附在金剛石表面，Ti的量遠小于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很容易擴散到胎體中；而Cr不易擴散，主要以碳化物形式存在于鍍層位置。

樣塊C：

光學顯微鏡照片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，應為鍍敷過程中產生，且鍍層在燒結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，項目總工程師，長期從事金屬結合劑超硬材料制品的生產與研發工作。 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合劑中發揮作用的機理探討[J].超硬材料工程，2016，28(3)：26-30.