金剛石覆層提高包鑲能力的原理

第第頁金剛石覆層提高包鑲能力的原理前已述及，在金屬基金剛石復(fù)合材料的粉末冶金燒結(jié)工藝中，碳化物覆層可以有效提高胎體對金剛石的把持力，從而改善胎體和金剛石的界面結(jié)合狀態(tài)，提高加工效率，延長金剛石工具的使用壽命。1、碳化物覆層金剛石的制取用金屬粉末氣相覆蓋法制取覆層金剛石的原理是：將金屬粉末與金剛石一起混合，在真空條件下，加熱到一定溫度并保溫一定的時(shí)間。在這種溫度下，金屬的蒸氣壓力對于覆蓋是足夠的，同時(shí)，金屬被蒸發(fā)吸附在金剛石表面，形成覆層金剛石。2、覆層金屬的選擇為了使金剛石覆層牢固可靠，更好地了解鍍層成分對包鑲力的影響，必須對覆層金屬加以選擇。我們知道金剛石是C的同素異形體，其晶格是正四面體，因而選擇包覆金屬成分的原則就是該金屬對碳的親和性好。這樣在一定條件下，在界面上發(fā)生化學(xué)作用，形成牢固的化學(xué)鍵，生成Me-C薄膜。金剛石-金屬體系中的浸潤和粘著理論指出：只有當(dāng)粘著功ΔW>0，并達(dá)到一定值時(shí)，界面才能發(fā)生化學(xué)作用。元素周期表中短周期B族金屬元素，如Cu、Sn、Ag、Zn、Ge等對于C的親和性差，粘著功低，所形成的鍵是分子鍵，結(jié)合不牢，不宜選用；長周期表中的過渡族金屬，如Ti、V、Cr、Mn、Fe等，它們與C的體系中的粘著功較大。C和過渡族金屬相互作用強(qiáng)度隨d層電子未充滿的數(shù)目越多而提高，所以覆層金屬選用Ti和Cr較為適宜。3、覆層實(shí)驗(yàn)由于金剛石在850oC的溫度下，還達(dá)不到金剛石表面活化碳原子與金屬粉末相作用形成金屬碳化物的自由能，最少要900oC才能達(dá)到金屬碳化物生成所需的能量。但是溫度太高，又會對金剛石產(chǎn)生熱燒損，考慮到測溫誤差等因素的影響，覆層試驗(yàn)溫度定為950oC。從保溫時(shí)間與反應(yīng)速度的關(guān)系可以看出（下圖），在達(dá)到金屬碳化物生成的自由能后，反應(yīng)便迅速進(jìn)行，隨著碳化物的生成，反應(yīng)速度會逐漸變慢。毫無疑問，隨保溫時(shí)間的延長，覆層的致密性及質(zhì)量都會有所提高，但60分鐘以后，對覆層質(zhì)量并沒有太大的影響，所以我們實(shí)驗(yàn)時(shí)將保溫時(shí)間定為1小時(shí)；真空度越高越好，但限于試驗(yàn)條件，我們一般采用10-3mmHg。保溫時(shí)間與反應(yīng)速度的關(guān)系4、包鑲能力增強(qiáng)原理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，胎體對覆層金剛石的包鑲能力比對未覆層金剛石的包鑲能力強(qiáng)。胎體對覆層金剛石的包鑲能力較強(qiáng)的原因，個人認(rèn)為，任何未鍍層的人造金剛石，其表面或內(nèi)部均存在晶面缺陷與微裂紋。由于這些微裂紋的存在，一方面使金剛石的強(qiáng)度下降；另一方面，就包鑲能力而言，由于沒有覆層，胎體成分是直接擠壓在金剛石的微裂紋中而對金剛石包鑲的，由于構(gòu)成金剛石的C元素化學(xué)性質(zhì)不活潑，很少與胎體成分發(fā)生反應(yīng)。所以，胎體對未覆層金剛石的包鑲純粹是一種機(jī)械擠壓式的包鑲，而這種包鑲是極不牢固的，一旦受有載荷的作用，上述微裂紋就會由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，致使包鑲能力下降。而覆層金剛石的情況就不同了，由于鍍上了一層金屬薄膜，金剛石的晶格缺陷和微裂紋被填充掉，一方面使覆層金剛石的強(qiáng)度提高，另一方面，填充了微裂紋，就不再存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。更重要的是，由于金剛石表面薄膜的存在，使得胎體中的粘結(jié)金屬對金剛石的浸潤轉(zhuǎn)化為對金剛石表面的碳化物的浸潤。其結(jié)果是粘結(jié)金屬對金剛石的潤濕角由原來的大于100o變?yōu)樾∮?0o，大大改善了粘結(jié)金屬對金剛石的潤濕性，使胎體對覆層金剛石的包鑲由原來的擠壓機(jī)械包鑲轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)包鑲，即覆層后的金剛石與胎體粘結(jié)成一體，從而顯著提高胎體的包鑲能力。同時(shí)，我們還認(rèn)為，其它因素如燒結(jié)參數(shù)、覆層金剛石的粒度、品級、胎體粒度等都對包鑲力有一定的影響。燒結(jié)壓力適當(dāng)，能增大壓制密度，提高胎體的硬度。適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度與保溫時(shí)間均能促進(jìn)胎體成分與