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金剛石表面鍍覆金屬的性能研究

摘要:對人造金剛石表面進行鹽浴鍍ti和化學鍍ni、cu處理后,用sem 觀測鍍后金剛石的表面形貌及鍍層界面,并測試分析了鍍后金剛石的抗壓強度和抗熱蝕能力。結(jié)果表明,鹽浴鍍ti的鍍層與金剛石的結(jié)合界面比化學鍍層更為致密;經(jīng)化學鍍后的金剛石抗壓強度明顯提高,鍍ti和鍍ni的金剛石抗熱蝕能力較好。
圖1 鍍覆金屬后金剛石x射線衍射圖譜
1 引言
金剛石材料具有高硬度、高抗壓強度、高耐磨性以及優(yōu)異的導熱性和電絕緣性,已廣泛應用于工具、磨具領(lǐng)域(如金剛石鋸片、金剛石砂輪、金剛石磨頭等)。金剛石工具、磨具通常采用將人造金剛石顆粒與金屬、陶瓷、樹脂等結(jié)合劑鑲嵌在一起的方式來實現(xiàn)對工件的加工,但由于金剛石與大部分金屬、陶瓷甚至樹脂均具有較高的界面能,使金剛石與基體的結(jié)合力較差,容易造成金剛石早期脫落。據(jù)統(tǒng)計,在金剛石工具的使用過程中,只有約10%的金剛石真正發(fā)揮了切削作用。因此,改善金剛石與基體的結(jié)合強度是提高金剛石工具加工效率和使用壽命的關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)外一般采用在金剛石表面鍍一層金屬的方法來降低金剛石與基體的界面能,并通過這層金屬與結(jié)合劑形成穩(wěn)定的化學冶金結(jié)合(金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑)。目前采用較多的鍍覆金屬包括ti、cr、v、w等碳化物形成元素以及ni、cu、ni-p等非碳化物形成元素。采用的鍍覆方法種類也較多,如真空微蒸發(fā)鍍可在金剛石表面鍍覆多種金屬和合金,但需要專用設備,成本較高;金屬包滲也可在金剛石表面有效鍍覆ti、ta、cr、mo、w等金屬,該方法也需要真空設備;鹽浴鍍和化學鍍是兩種比較簡單的鍍渡方法,不需要專用真空設備。鹽浴鍍可鍍覆大部分碳化物形成元素;而化學鍍主要用于鍍覆ni、cu、ni-p等非碳化物形成元素以及與碳化物元素的復合鍍層。目前國內(nèi)對這兩種方法鍍覆金剛石的鍍層特點及其抗壓強度、抗高溫熱蝕能力等性能研究方面的報道不多。本文通過在金剛石表面采用鹽浴鍍方法鍍ti和采用化學鍍方法鍍ni、cu的試驗,分析比較了采用這兩種方法獲得的金剛石表面形貌、鍍層結(jié)構(gòu)特點以及金剛石的抗壓強度和抗高溫熱蝕能力。
2 試驗方法
將45#人造金剛石與金屬ti粉棍合,并用nacl和bacl的混合鹽以及少量硼砂和硅鐵粉混合后覆蓋其上,用陶瓷坩堝加蓋后在箱式電阻爐中以1000℃溫度保溫1小時,再用熱水去掉混合鹽,即可得到鍍ti的金剛石。
用酒精和丙酮去除金剛石表面的油污,用混合酸(濃硝酸+濃硫酸)對金剛石表面進行粗化,再進行敏化、活化及還原處理后,分別放入ni 鍍液和cu鍍液中,經(jīng)過一定時間后即可在金剛石表面鍍覆一層ni和cu。
采用y-4qx射線衍射儀對鹽浴鍍ti和化學鍍ni、cu的金剛石進行x射線衍射分析。
采用philips xl-30feg掃描電子顯微鏡觀察鹽浴鍍ti和化學鍍ni、cu金剛石的表面形貌以及顆粒斷裂后的鍍層結(jié)構(gòu)。
分別測試未鍍筱金剛石和已鍍覆金屬金剛石的表面抗壓強度(40粒為一組)。將金剛石放入無保護氣氛、溫度800℃ 的爐中一定時間,采用精確到0.1mg的電子分析天平稱量金剛石的重量,通過測試金剛石的燒損量確定其抗高溫熱蝕能力。
3 試驗結(jié)果與分析
經(jīng)鹽浴鍍和化學鍍后,幾乎100%的金剛石均被鍍覆上金屬,表明這兩種金屬鍍覆工藝是可行和成功的。鹽浴鍍ti的金剛石表面呈灰黑色;化學鍍ni的金剛石表面呈亮銀色,鍍cu的金剛石表面呈紅色。
x射線衍射分析
用y-4q型x射線衍射儀測得的鍍覆金屬后金剛石x射線衍射圖譜如圖1 所示。由圖可見,鹽浴鍍ti的金剛石出現(xiàn)了tic的衍射峰,表明ti與金剛石通過tic形成了化學冶金結(jié)合?;瘜W鍍ni和cu的金剛石上都有ni和cu的衍射峰出現(xiàn);鍍ni金剛石的表面鍍層大多為非晶ni,由于ni層較厚,所以金剛石的衍射峰很弱。
鍍層表面形貌分析
圖2為用philips xl-30feg掃描電子顯微鏡觀察到的鍍ti、鍍ni和鍍cu金剛石的表面形貌。由圖可見,鹽浴鍍ti和化學鍍ni的金剛石表面鍍層致密均勻,而化學鍍cu的金剛石表面鍍層較為疏松,且存在未鍍極部位,這是由于cu鍍層較薄且易氧化,引起鍍層剝落,導致鍍層表面結(jié)構(gòu)疏松。

(a)鹽浴鍍ti

(b)化學鍍ni
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