镀覆金刚石技术的研究进展

R e s e a r c hp r o g r e s s o f t e c h n i q u e s o f c o a t e dd i a m o n d
1 , 2 1 2 2 XI ANG D o n g ,L IMu s e n,X UB i n ,L I U Ke g a o
( 1 . S c h o o l o fMa t e r i a l S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,S h a n d o n gUn i v e r s i t y ,J i n a n2 5 0 0 6 1 , C h i n a ; 2 . S c h o o l o fMa t e r i a l S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,S h a n d o n gJ i a n z h uUn i v e r s i t y ,J i n a n2 5 0 0 1 4 , C h i n a )
2 �3 � 多 个工 业部 门和 学科 领域 � .
目 前, 金刚石 锯切 和钻 机工 具多 用粉 末冶 金法 生 产, 烧结温度一般高达 9 而金刚石在空气中加 0 0 �,
热到 7 就 开始 氧 化失 重 , 抗 压能 力 下降 ; 0 0 � 左 右时 ,
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收稿日期: 2 0 0 6 -0 2 -2 0 作者简介: 项 东( 1 9 6 4 -
6 � 是几 十年 来金刚 石及 工具 技术 领域 的重 大成 就 � .
原 理, 模型 1 金刚 石表面 镀覆的 条件 , 及意义
表面 镀 覆指 的 是 利用 表 面 处 理技 术 使 其它 材 料 镀覆 , 沉积 , 涂覆 在超 硬磨 料表 面 , 使磨 料表面 发生 状 态, 形状 或 物理 化 学方 面 变 化 的方 法 , பைடு நூலகம் 称 为超 硬 磨 料的 表面 镀覆 . 镀层 厚度 可从 数十 纳米 至毫 米级 , 镀 层材 料可 以是金 属 , 陶瓷 或有 机物 . 被 镀覆的 磨粒 表 面具 有了 镀覆材 料的 性质 . 镀 层与 超硬 磨粒表 面可 以 是化 学键 连接 , 也可 以是 物理 沉积 或粘 结 . 镀 层可 以 是单 一 材料 , 也 可 以是 复 合 材 料 , 合金 或 是 多层 复 合 材料 . 1 . 1 金刚 石表 面镀 覆的 条件
镀 覆 金 刚 石 技 术 的研 究 进 展
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项
摘
, 2 1 东1 ,李木森 ,许
2 斌2 ,刘科高
山 东 大 学 材 料 科学 与 工 程 学 院 , 山东 济南 2 山东 济南 2 ( 1 . 5 0 0 6 1 ;2 .山 东 建 筑 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 , 5 0 0 1 4 )
A � s t r a c t :T� e � ea � e �a n �� � o � l e �s i n �a n u � a � � u � i n g� i a �o n � � o o l s ,s u � � a sl a � � � e � e n � i o n ,g � a i ns � e � � i n g ,o � i � a � i o na n �g � a � � i � i � a � i o ne � � . , �� i � �a � � e � � � � e�o � � i n gl i � e .T . a n �e � � i � i e n � �o � � � e� o o l s � es u � � a � e� o a � i n g�e � a l o � � i a �o n �i s� � ee � � e � � i � e�e � � o � T � � o u g �� i s � u s s i n g� � e� o n � i � i o no �s u � � a � e� o a � e �� i a �o n � , � � e� o a � i n g� � e o � �a n �� � e �e � a l i � i n g�o � e l ,� � e� e � � n i � u e sa n �� e � e l o � �e n � o � � o a � e �� i a �o n �a � es u ��e �u � ,a n � ,a s o �en e �e s �a � � i e � e �e n �i n� � i s� i e l �a � ei n � � o � u � e � n �� � e� o s s i � i l i � �o �� � a � � i � a l . a � � l i � a � i o ni n� � o � u � � i o na � ea n a l � � e � � e � � o r d s :� i a �o n � ;� o a � e � �e � a ls u ��a � i � i n g ; � e � e n � i o n ; VD ; s a l � � a � � � l a � i n g ; e l e � � � o � l a � i n g
0 引言
人造 金刚石 于 2 0世 纪 6 0年代 初投 入商 业生 产 , 随着 社会 的发展 , 应 用于 工业 生产 中的 金刚石 数量 越 来越 多 . 因此超 硬材 料作 为一 个行 业 , 其最大 价值 环 节不 在 于金 刚 石材 料 , 也 不 在 于原 辅 材 料 , 更不 是 在 标准 检测 工具业 , 而 在于 价值 含量 最大 的金刚 石制 品
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在1 而在使用过程 0 0 0 � 以上 金 刚 石 会 发 生 石 墨 化 , 中发 生 氧化 失 重或 石 墨化 等 反 应 会降 低 工 具的 加 工 效率 , 影响 使用 效果 . 另 外 , 金 刚石 与大 部分 的金 属 , 陶瓷 等材 料之间 有较 高的 界面 能 , 使得 金刚石 与基 体 的金 属 或合 金 难以 有 效 地 润湿 , 界 面 结 合力 较 差 , 其 热膨 胀系 数远远 小于 金属 结合 剂的 膨胀 系数 , 故在 磨 削力 的作 用下极 易脱 落 , 从而 使磨 具的 使用寿 命大 打 折扣 . 据估 算孕 镶式 金刚 石工 具中 金刚 石利用 率仅 为 那么, 每 年 有大 量 的 金 刚石 因 脱 落而 流 失 6 0 % 左右 , 于废 屑之 中 , 损 失巨 大 . 因 此, 如何 提高 金刚石 的抗 氧 化性 , 防止 金刚 石在 高温 下的 石墨 化及 在使用 时的 脱 落, 成 为提 高金 刚石 工具 使用 寿命 的关 键因素 . 目 前 国内 外 一般 采 用在 金 刚石 表 面 镀 覆金 属 的 方法 来 降 低金 刚石 与基体 的界 面能 , 并 通过 该层 金属与 结合 剂 形成 稳定 的化学 冶金 结合
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但 它们 与金 刚石 之间 不发 生化 学反 应 , 与 金刚 石只 有 机 械地 镶嵌 在此 类结 合剂 中 , 易 脱落 流失 . 结 构条 件 为了 达 到 金 刚 石与 金 属 的 冶 金 结 ( 2 ) 合, 只 有 �� , , , , �, C � M� N� � 等 强 碳 化物 形 成 元 素 才 有可 能在 金刚 石颗 粒表 面形 成碳 化物 层 , 达 到强 力 冶 金结 合 . 因此 , 金刚 石与 金属 冶金 结合 的结 构条 件 是, 必 须使 碳化物 层直 接外 延生 长在 金刚 石上 . 工 艺条 件 金刚 石 表 面 形 成碳 化 层 的 过 程 为 ( 3 ) 原 子扩 散的 过程 , 需要 在一 定的 温度 下较 长时 间界 面 反应, 因 此, 碳化 物 的形 成 是 受 原子 扩 散 迁移 控 制 的 缓 慢过 程 . 但目 前大 量应 用的 热压 工艺 , 其烧 结时 间 很短, �� , �, C � , M� , � 等金 属 靠 热压 的 温 度 和 时 间 与 金 刚石 接 触反 应 , 不 可 能 形成 连 续 的碳 化 物 层 , 不 能 起到 有效 粘结 金刚 石的 作用 . 若 烧结 之前 , 对金 刚 一定 的 N� , � 及合 金是 非常 必要 的 . 在镀 覆过 程中 , 真空, 温 度, 时间 条 件下 使 金 刚 石表 面 外 延生 长 一 可 控 厚度 的碳 化物 层 , 使 镀层 与金 刚石 镀后 即产 生化 学 键 合 . 作为 中间 产品 , 带有 镀层 的金 刚石 与结 合剂 在 短 时 间热 压 烧结 后 即可 顺 利 实 现金 属 镀 层与 结 合 剂 胎 体之 间的 钎焊 结合 , 也就 实现 了金 刚石 与结 合剂 之 间 的冶 金结 合 . 金 刚 石与 碳 化 物形 成 元 素 反应 生 成 化合 物 的 成 分, 结 构及 生成条 件 : 金刚 石 : / >8 7 3 6 0 0 �) , �� K( � � C 金 刚 石: / >8 7 3 6 0 0 �) , ; >1 2 7 3 C � K( C � 3 C 2 K ( 1 0 0 0 �) , C � 7 C 3 金刚 石 : �/ >9 7 3 K( 7 0 0 �) , �C , �2 C 金刚石 / : >9 2 3 6 5 0 �) , , M� K( M� C M� 2 C 1 . 2 金刚 石表面 镀覆 的金 属化 原理
要: 金刚石工具中存在 的把持力不足 , 颗粒脱落 , 氧化石墨化等问题 , 严重影响了工具的 使用寿命和效
率 .金刚石表面镀覆金属层是解决这一问题的有效方法 .文章对金刚石表面镀覆条件 , 镀覆原理和形成的 镀覆金属化模型进行了讨论 , 综述了金刚石表面镀覆金属层的技术及其发展 , 介 绍了该领域的最新的研究 成果 , 并分析了它们在实际 生产中应用 . 关键词 : 金刚石 ; 镀覆金属层 ; 综述 ; 把持力 ; 化 学镀和电镀 ; 真空镀 ; 盐浴镀 中图分类号 : TQ1 6 4 . 8 ;O4 8 4 . 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 3 -1 4 3 3 ( 2 0 0 6 ) 0 3 -0 0 4 4 -0 6