金刚石工具中金刚石与金属结合剂之间的界面

金刚石工具中金刚石与金属结合剂之间的界面＊工具技术张凤林周玉梅王成勇广东工业大学摘要：金属基金刚石工具中的金刚石与结合剂之间的界面微观结构对结合剂与金刚石的粘结强度、金刚石的出刃状态以及金刚石工具的使用性能和寿命都有重要的影响。本文综述了多层和单层金属基金刚石工具中的碳化物形成元素、稀土元素等在结合剂与金刚石的界面上的作用机理和界面特征的研究进展，其中重点对钎焊单层金刚石工具中金刚石一钎料之问界面的微观结构进行了分析。关键词：金刚石，结合剂，界面

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ｌ引言

随着现代制造业的高速发展，尤其是电子信息、航空航天、新材料等产业的发展，对半导体、功能陶瓷、高温合金、磁性材料、光学晶体等先进的硬脆材料的切割、磨削、抛光加工需要大量的高性能金刚石工具。目前金刚石工具可以根据结合剂性质主要分为为金属基、树脂基以及陶瓷基三种。由于金属优异的强度、硬度和韧性的匹配，金属基金刚石工具成为目前广泛使用的硬脆材料加工工具。由于金刚石与金属结合剂之间的界面结合状态直接影响到金刚石的结合强度、出刃高度以及工具的加工效率、精度、寿命等方面性能，因此对金刚石与金属结合剂之间界面的研究具有重要的意义，很多国内外研究者都非常关注。本文分别讨论了多层和单层金属基金刚石工具中金刚石与结合剂之间界面的研究进展。２多层金刚石工具中金刚石与结合剂的界面多层金刚石工具通常是采用烧结的方法对金剐石和金属结合剂混合粉进行致密化，因此又称烧结金刚石工具。目前烧结金刚石工具的结合剂主要以’国家自然科学基金项目（项目编号：５０６０５００９）广东省科技攻关项目（项目编号：２００５８１０２０１０２７）广东工业大学博±启动项目（项目编号：０４３０３５）收稿日期：２００６年】０月Ｃｏ基、ｃｕ基以及Ｆｅ基三种为主。Ｃｏ与金刚石的润湿角约为５０。。７０。，与金刚石的粘着功为２．７Ｊ，比铜高１０倍多，是目前粘结金刚石最好的结合剂ｌｌｏ；ｃｕ

基结合剂通常以ｃｕ—ｓｎ合金为主，由于其熔点低，烧

结成型性能好，是应用较广泛的一种结合剂，但Ｃｕ与金刚石的润湿角较大（１３０。～１５０。）ｌ２｜，通常需要在青铜基的基础上添加一定量的Ｃｏ和其它合金元素来降低其与金刚石的润湿角；而Ｆｅ基结合剂的出现是为了降低ｃｏ和ｃｕ成本而提出来的一种新的结合剂，由于Ｆｅ与金刚石可以反应形成碳化物，所以Ｆｅ基结合剂对金刚石具有较强的粘结强度【３｜，但是由于Ｆｅ对金刚石表面具有强烈的刻蚀作用，这会导致金刚石本身的强度降低，此外Ｆｅ粉很容易氧化、烧结温度高、不容易出刃，而且需要添加一定量的其它合金元素，如Ｃｏ、Ｎｉ等。因此，Ｆｅ基结合剂的使用并不广泛ＨＪ。为了改善金属结合剂与金刚石的结合状态，一方面可以对金刚石包衣或者直接在结合剂中添加少量的其它元素（如碳化物形成元素、稀土元素等），另一方面在金刚石表面镀覆一层与金刚石有亲和力的碳化物形成元素使金刚石具有金属的特性。２．１结合剂中的碳化物形成元素在界面的作用在烧结金刚石工具的结合剂中加入碳化物形成元素，比如Ｔｉ、ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、ｗ、ｚｒ等可以明显降低结合

　万方数据２００７年第４１卷№７剂对金刚石的润湿角。比如黄炳南在Ｃｕ中分别加入Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ等元素，结合剂对金刚石的润湿角从１４５。降低到５００甚至ｏ。左右，不仅提高了结合剂对金刚石的粘结强度，而且提高了基体的硬度、抗弯强度【５｜。宋月清认为在ｃｏ基结合剂中的Ｔｉ、Ｃｒ可以在热压条件下形成一层薄的金属化层【６。，这就意味着在结合剂中加入少量碳化物形成元素可以实现金刚石表面的金属化，金刚石一碳化物层一金属化层之间的微观结构可以从图１的示意图看出。李晨辉在ｃ旷一青铜和Ｆｅ一青铜粘结剂中加入Ｃｒ时发现Ｃｒ的主要作用是提高基体的强度，而对金刚石与基体的粘结状态并没有明显改善ｌ７｜，这可能与Ｃｒ的加入量、加入方法以及在结合剂中的分布状态有关。如果一定量的Ｃｒ可以与结合剂实现较好的合金化和均匀分布，其效果可能可以充分体现。图ｌ结合剂中的碳化物形成元素与金刚石相互作用机理示意图２．２结合剂中的稀土元素在界面处的作用稀土可以称为工业的味精，少量的加入就可以对多数材料晶界杂质起净化作用，因而可以强化材料。对于烧结金刚石工具，在粉末冶金的过程中存在来自空气中的氧和周围环境的污染，因此稀土的主要作用是对结合剂晶界进行净化和强化，也可以改善结合剂与金刚石的结合状态［８｜。但对稀土元素在金刚石与结合剂界面处的作用机理还不是很清楚。一般认为稀土元素会在金刚石与结合剂界面分布，从而影响金刚石的结合状态，比如吴贻琨发现在Ｆｅ基结合剂中加入的Ｌａ和Ｎｄ会沿液相向金刚石表面富集，并在金刚石表面反应形成富ＩＪａ或Ｎｄ的反应产物，而这些反应产物与金刚石具有很好的结合强度Ｉ９｜。吴玉会等人在ｃｕ基结合剂中加入ｂＮｉ预合金粉末，发现ｂ在金刚石与结合剂的界面处富集恻；也有研究者认为稀土不一定在界面处分布，而是通过与结合剂的反应而影响其与金刚石的结合状态。比如宋月清在青铜基结合剂中加入训ｉ５时发现：虽然在金刚石表面没有发现Ｉａ的分布，但其与金刚石的结合强度比未添加圳ｉ５的工具高，认２１为ＩＪａ的加入可以改善结合剂对金刚石的润湿性能和粘结状态ｎ¨。他还认为ｂＮｉ，颗粒与金刚石直接接触和间接接触都可以通过不同反应来改善金刚石与结合剂之间的结合【１２，１３ｊ。比如Ｉ丑Ｎｉ，颗粒与金剐石直接接触时，【ａ与金刚石反应形成ＬａＣ及其它产物，促进结合剂与金刚石的结合；当Ⅲｉ５颗粒与金

刚石问接接触时，ｌ丑与结合剂中的金属氧化物反应（如ＴｉＯ、ＮｉＯ等）还原出金属，促进金属结合剂与金刚石形成碳化物。虽然通过扫描电子显微镜（ｓＥＭ）和ｘ射线衍射分析（Ⅺ狮）等手段可以判断碳化物形成元素能够在金刚石与结合剂界面处形成碳化物，但这些碳化物在界面上具体的微观结构、形态还需要进一步研究；稀土对烧结金刚石工具的作用机理，尤其是其在界面上的作用机理还需要进一步研究。２．３金刚石表面镀覆碳化物形成元素在界面的作用在烧结金刚石工具中碳化物形成元素的另外一种加入形式是预先在金刚石表面镀覆。金刚石表面镀覆金属或者合金可以进一步提高结合剂对金刚石的润湿性能，尤其是镀覆碳化物形成元素，如Ｔｉ、ｃｒ、ｖ、ｗ、№等１１４，１５ｊ。王艳辉等使用电子探针发现结合剂中在距镀覆Ｔｉ的金刚石界面１０脚处为富含Ｔｉ的金属混合物，说明金刚石表面镀覆的Ｔｉ部分地溶人结合剂中形成固溶体，形成金属键与离子键等强的化学键结合，从而提高结合剂与金刚石的粘结强度；所制备的金刚石工具中金刚石的脱落率从未镀时的６０％降低到镀覆后的２０％，工具寿命提高了３６％［１５’１６ｊ。黄炳南等还认为镀覆金属还可以弥补金刚石表面的微观裂纹等缺陷，提高金刚石的强度并隔绝氧和热影响㈣。臧建兵等则对镀覆过程中

Ｔｉｃ的形成机制进行了研究，发现磁控溅射镀Ｔｉ时金刚石表面的外延生长点首先结晶点状Ｔｉｃ，逐渐铺展开形成完整薄膜，镀层与金刚石的结合强度随

着连续成膜的ＴｉＣ的面积增加而增大ｕ８１。

３单层金刚石工具中的金刚石与结合剂的界面

单层金刚石工具出刃高，无须修整，其锋利度和切削效率要远优于多层金刚石工具，因此在加工硬

脆材料领域得到了广泛应用。目前，单层金刚石工具的制作方法主要有电镀法和钎焊法。３．１电镀单层金刚石工具的界面电镀金刚石工具是根据电镀的原理将Ｎｉ沉积

　万方数据２２在钢基体和金刚石表面，并把金刚石包埋住，因此Ｎｉ镀层与金刚石之间只是简单的机械镶嵌，有的金刚石与Ｎｉ镀层之间还会出现间隙（如图２所示）。因此，电镀金刚石与结合剂之间界面结合力很弱。当然也可以通过其它方法来改善电镀金刚石与Ｎｉ镀层的结合，比如采用激光表面处理，使局部镀层熔融也可以与金刚石形成一定的冶金结合¨９１。图２电镀金属与金刚石的结合状态娅Ｍ照片３．２钎焊单层金刚石工具的界面钎焊单层金刚石工具是在高温下将钎料合金熔化，利用毛细作用将金刚石与钢基体之间的缝隙填充，并在金刚石根部堆积至一定的高度，其出刃高度很高，可以达到金刚石磨粒直径的７０％以上（如图３所示）。钎焊金刚石常用的钎料主要包括Ａｇ－Ｃｕ、ｃｕ—ｓｎ和Ｎｉ—ｃｒ基合金，以下分别介绍这三种钎料合金钎焊金刚石时其界面处的微观结构。钎一基体ｒＶ（１）Ａｇ－Ｃｕ合金国内外对钎焊金刚石用的Ａｇ．ｃｕ合金的研究较少，目前哈尔滨理工大学的研究者做了一定的研究。李丹和关砚聪等发现合金中添加Ｔｉ、Ｃｒ、ｗ等碳化物形成元素可以明显增加对金刚石的润湿性∞，２１ｏ；孙凤莲等对合金及金刚石的界面进行了研究，发现Ａｇ．ｃｕ—Ｔｉ钎焊金刚石的过程中ｃｕ和Ｔｉ都会向金刚石表面偏聚，Ｔｉ在金刚石表面形成一定厚度的ＴｉＣ层，受不同晶面的影响，ＴｉＣ在金刚石表面的生长具有一定的方向性，在某一晶面生长完成后再向其它晶面延伸［２２，引。但对于Ａｇ－ｃｕ．Ｔｉ合金与金刚石反应形成的ＴｉＣ的微观形态和结构还缺乏相应的研究。工具技术（２）Ｃｕ—Ｓｎ合金Ｃｕ—Ｓｎ合金中也需要加入Ｔｉ、Ｃｒ、ｚｒ等碳化物形成元素，研究者对Ｔｉ与金刚石的反应形成Ｔｉｃ的机理和微观结构研究较多。比如台湾的ｗ．ｃ．Ｌｉ在研究Ｃｕ—Ｓｎ．Ｔｉ合金钎焊金刚石时发现在金刚石的表面可以异质外延生长一层晶粒尺寸为４０～６０啪的

Ｔｉｃｌ２４ｌ，而Ｔｉｃ层中的ｃ含量也随着距离金刚石．Ｔｉｃ界面越远而减少；界面上Ｔｉｃ的晶格常数随着金刚石的晶向而不同，比如，在（１００）晶面上生长的ＴｉＣ在平行于［１００］方向的晶格常数就大于垂直［１００］方向的晶格常数。ｓ．Ｆ．Ｈｕ锄ｇ等也在另一个实验中观察到短时激光钎焊和５分钟真空高温钎焊后在金刚石表面分别形成的非连续和连续ＴｉＣ层：连续ＴｉＣ层厚度约３００ｆｌＨｌ，非连续ＴｉＣ层是由孤立的１００啦左右的Ｔｉｃ晶粒组成［矧，在５分钟真空高温钎焊过程中，Ｔｉ、Ｓｎ都会向金刚石一Ｔｉｃ界面偏聚，形成Ｔｉ或者ｓｎ的金属间化合物。Ｆ．Ａ．Ｋｈａｌｉｄ等使用扫描透射电镜（姗Ｍ）、透射电镜（，ＩＥＭ）等分析手段观察