浅议金刚石表面金属化的机理及作用

林铀

摘 要：文章介绍金刚石表面金属化的机理、模型及金刚石表面金属化处理的作用。表面金属化将大幅度提高金属结合剂对金刚石的粘结能力，从而提高金刚石工具性能和延长金刚石工具的寿命。

关键词：金刚石；表面金属化；机理；作用

中图分类号：TQ164 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）14-0179-02

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金刚石以其无以伦比的高硬度、高耐磨性以及优异的高导热性和电绝缘性等一系列优良的综合性能在国民经济的许多领域具有广泛的用途。

但由于金刚石颗料细小，绝大部分金刚石工具均以粉末冶金、镶焊等方法使金刚石固定或嵌镶在金属合金基体中。如：金刚石砂轮、锯片等金刚石工具。

大部分液态的金属、合金对金刚石表面几乎不润湿，致使金刚石不能为一般熔焊合金所浸润和焊接。使得金刚石与基体结合力较差，容易造成金刚石的早期脱落。

目前在我国金刚石工具中，金刚石的利用率仅为：60%～70%，即有30%～40%的金刚石过早脱落，造成金刚石工具的寿命低、性能差。

因此，探索金刚石和合金结合剂之间的可焊性，是实现加强金刚石工具中结合剂对金刚石的粘结能力，提高金刚石工具质量水平、使用寿命及整体性能的关键。

1958年美国通用电气公司报导了以氢化钛加入到Ag-Cu合金中，在金刚石工具的烧结中，由于氢化钛的热分解形成原子态的钛，从而实现了对金刚石的焊接。之后许多研究者开始研究Ti、Cr、Zr、V等元素，加入到铜银合金中，对金刚石浸润性的影响。从而出现了真空中实现焊接金刚石的合金材料及工艺。西欧一些国家如英国、西德等早在20世纪80年代就已经在使用经过表面金属化处理的金刚石，据他们统计使用表面金属化的金刚石可延长30%～40%的使用寿命，可使金刚石工具中的金刚石浓度降低20%左右。

近几十年以来，国内学者也在此方面做了大量的研究，开发了金刚石表面化学镀和电镀。在剖析金属合金-金刚石结合界面微区结构的基础上，提出了金刚表面金属化的模型，从而在更广的范围内解决了金刚石的可焊性，并赋予金刚石以新的性能，扩大了金刚石的新技术应用。

1 金属合金与金刚石表面的浸润性

1.1 纯金属液体对金刚石的浸润性

由于金刚石与一般金属液体之间的界面能很高，所以大多数纯金属对金刚石的浸润性很差。

浸润角绝大多数都在90 ？觷以上。只有当1 100 ℃时，液态Al对金刚石的浸润角为10 ？觷，但是在这个温度下，液态Al对金刚石表面已有明显的侵蚀，见表1。

还有其它金属如：Fe、Co、Ni、Cr等纯金属熔点较高，而且对金刚石均有较严重的溶蚀。由于金刚石在常压下，当能量足够时，有向它的同素异性体石墨转化的倾向，称为金刚石的石墨化。金刚石在真空下的石墨化，开始于1 600 ℃～1 700 ℃，但在普通工业性生产的保护气氛中，金刚石发生石墨化的温度将大幅提前，所以一般认为金刚石工具的生产、制造温度应应控制在1 300 ℃以下。所以，在金刚石工具的实际生产制造中，几乎不存在既能浸润熔焊金刚石，而又不严重浸蚀它的纯液态金属。

2 一些合金元素对金刚石的浸润性的影响

许多实验表明，低点较低熔点金属（如：Cu ，Sn，Pb ，Ag，等）中加入少量的强碳化物生成元素（如：Ti，Cr，Zr，V，B等）后，可以改变这些金属对金刚石的表面状态，从而大幅改善这些金属熔液对金刚石表面的浸蚀性，见表2。

研究表明，最有效地改善合金对金刚石浸润性的活化金属元素是强碳化化物形成元素，由于它们与金刚石表面发生界面反应，生成碳化物，而基体合金对碳化物有良好的润湿性，从而促使了合金对金刚石的浸润和熔焊。

3 合金对金刚石的浸润程熔焊机理

少量加入的强碳化物加入到低熔点的合金中，在较低的温度下发生液-固二相的界面反应，在金刚石的表面反应生长出性能十分稳定的金属碳化物，它在金刚石晶体的外延生长，此时，铜合金可以对金刚石表面的碳化物形成良好的浸润。此反应机理已为大量的表面微观结构分析所证实。

4 金刚石与合金结合界面的微观结构分析

由于金刚石的坚硬性经界面分析带来许多困难，我们还是可以利用透身电镜、X光结构分析，电子探针等设备以金刚石与合金结合界面的微观结构作出分析。

4.1 合金元素的浓度分布

在对Cu-15%Ti合金在与金刚石结合的界面微区探测到强烈的元素偏析，在界面上扫描电镜探测到70%或以上的Ti元素浓度，而在界面上的Cu的浓度只有30%左右，而在距离界面40 ？滋m之上，合金的成份就接近合金的整体成份。

4.2 界面的金相学观测

通过对Cu-Ti合金与金刚石生成的界面进行显微硬度测量，测得白色界面层的硬度大于HV1739，硬度值处于碳化物的硬度范围。

4.3 界面的X-光结构分析

实验表明：在距界面3 ？滋m时，开始出现TiC的谱线，当距界面2 ？滋m时，所有TiC的谱线全部出现。由此充分说明界面生成的就是TiC界面。

4.4 电子衍射分析

通过对透射电镜对界面产生的衍射环与碳化钛标准晶面产生的衍射环进行对比计算，结果表明界面生成物就是TiC。

5 金刚石表面金属化的原理与模型

5.1 金刚石表面金属化的原理

金刚石表面金属化的原理在于希望在经过金属化处理后的金刚石表面具有金属特性，如可焊接性、导电性、可烧结性等。该表面层与金刚石晶体通过界面反应生成碳化物层，而具有强大的结合力，在金刚石工具正常的使用中不被剥落，导致掉料。且这个表面还应具有足够的热稳定性，在一般金刚石工具的制造中保持稳定。

5.2 金刚石表面金属化的模型

根据金刚石表面金属化原理的设想，金属化层模型设计为：由3层材料组成。从里到外，第一层是生成碳化物层，一般厚度控制在几百埃（■）到1000埃（■），它强固地生长在金刚石表面，因为一般碳化物的膨胀系数比金刚石大近10倍，所以此层不宜过厚，否则碳化物层与金刚石之间的内应力加剧，容易形成起皮。这层结构是实现金刚石表面金属化的关键。第二层为几微米厚的合金化层。为了使碳化物层与一般的低熔点合金所熔焊特别设计了这个合金化层。它对所生成的第一层碳化物层有极好的润湿性与粘结性，可以选取钴、镍、铜等合金。合金化层的形成，使金刚石表面具有诸如：可烧结性、可导电性、可焊接性等的各项金属特性。第三层为几十微米厚的电镀层，因为金刚石的线膨胀系数与所制造金刚石工具中合金胎体的线膨胀系数存在极大的差异。为减少内应力，特设计了这个缓冲层。这样热压烧结等工艺生产的金刚石刀头等工具在冷却中会产生很大的内应力可以得到较大的缓解，特别是对于那些刚性较大的合金胎体，这个电镀层可起到缓冲应力的作用。

6 金刚石表面金属化的性能及应用

金刚石表面金属化是指利用表面处理技术在金刚石颗粒表面镀覆金属，使其表面具有金属或类金属的性能。

金刚石经过表面金属化处理后有以下的作用：

①可以较大地提高结合剂对金刚石的粘结能力。经过金属化的金刚石表面因具有金属的属性，它将大大增强金属基体对金刚石的嵌焊力。从而提高金刚石的利用率，延长金刚厂工具的寿命。

②由于在界面反应生成碳化物时，金刚石的、微裂纹、微空洞等一些内部缺陷得到弥补、修复，这有助于提高金刚石磨料的颗粒强度。

③在粉末冶金高温烧结和金刚石工具进行高温磨削时，表面的金属化镀层可以使金刚石与环境作有效的隔离，使之不发生石墨化、氧化等，起到隔离保护作用。

这些作用使金刚石工具的性能得到了大幅度的提升。笔者多年以来就从事金刚石表面金属化和使用铜基、铁基等粉末与经金属化处理的金刚石烧结生产金刚石锯片刀头的生产、研究工作，将金刚石表面金属化后的特性和优点应用在金刚石锯片中，收到了良好的效果。

使用表面金属化处理后的金刚石制作的金刚石锯片，在使用中金刚石掉粒明显减少，金刚石浓度可降低10%左右；锯片寿命普遍可提高20%～35%，达到了预期的效果。

7 结 语

通过强碳化物生成元素与金刚石表面的界面作用可以实现金刚石表面金属化，金刚石表面金属化能较大地提高金属结合剂对金刚石的粘结能力从而提高金刚石工具性能和延长金刚石工具的寿命。

金刚石表面金属化的广泛应用，对于降低生产成本、提高产品质量、延长工具寿命会起到了重要的推动作用。

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