DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.03.022

镀膜对金刚石与结合剂之间结合性能的影响

刘雄飞 李晨辉

中南大学应用物理与热能工程系!长沙410083

中南大学粉末冶金研究所!长沙410083

摘 要：

采用磁控溅射的方法在金刚石表面镀覆Ti, Mo , Cu以及TiN。测定了镀Ti金刚石的单粒抗压强度 , 用XPS分析了真空热处理后的金刚石表面结构 , 利用抗弯强度试验及扫描电镜分析 , 研究了镀膜金刚石在Co基结合剂中的界面结合状态。结果表明 :金刚石镀膜后能够提高其单粒抗压强度。在 840℃的热压条件下 , 镀层金属与金刚石能够在局部生成碳化物而形成化学结合 , 但对结合强度的提高还没有起着主导作用。镀Mo金刚石能够被Co基结合剂很好地浸润 , 因而结合强度有较大的提高

关键词：

磁控溅射;镀膜;金刚石;结合强度;

中图分类号： O647.1

收稿日期：2000-08-31

Effect of coatings on binding capability between diamond and matrix

Abstract：

Ti, Mo, Cu and TiN were coated on diamond by the technology of magnetron sputtering. The compression strength of the diamond was measured. After diamond was taken heat treatment under vacuum condition, the surface structure of diamond was analyzed by XPS. The bonding states between cobalt matrix and coated diamond have been studied using transverse rupture strength (TRS) testing, SEM and EDAX. The compression strength of the diamond could be increased by coatings. Only part of coated metal and diamond could be compound carbide and come into chemical bonding under hot pressing condition of 830～840?℃, which, however, have not greater effect to improve the binding strength. Mo coated diamond could be rather impregnated by cobalt matrix, and the binding strength between them has a greater increase.[

Keyword：

magnetron sputtering; coatings; diamond; binding strength;

Received： 2000-08-31

随着当前建筑装饰业的日益发展, 金刚石工具的应用越来越广泛, 消耗量也越来越大, 怎样提高金刚石工具的使用寿命已成为当前人们研究的热点。 由于金刚石与作为金属结合剂的一般低熔点合金的界面能很高, 金刚石颗粒不能被这些合金浸润, 金刚石颗粒仅仅被机械地镶嵌在金属基体之中, 在磨削力的作用下, 金刚石颗粒极易脱落, 使得金刚石工具的寿命及加工效率大打折扣, 金刚石的作用得不到充分发挥。 为了实现结合剂对金刚石的良好浸润甚至化学结合, 人们从结合剂的选择、 金刚石的表面处理、 各种制造工艺等各个方面进行了大量的研究, 取得了一些进展。 近年来还发展了采用金刚石镀膜的方法 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} , 研究表明, 金刚石表面镀上一层金属 (Ti, Mo, W, Cr等) 后, 在热压烧结过程中, 金刚石能够被结合剂很好地浸润, 甚至金刚石能与镀层中的强碳化物形成元素反应生成碳化物, 形成化学结合, 使结合强度有较大的提高, 从而达到提高金刚石工具使用寿命的目的。 本文作者采用磁控溅射在金刚石表面镀膜的方法, 研究了镀膜金刚石与结合剂之间的结合性能。

1 实验

采用MBD-6型380 μm/340 μm人造金刚石为原料, 经氢氧化钠和盐酸清洗后烘干, 置于JPG-3型磁控溅射仪上进行表面镀膜, 镀膜材料分别为金属Ti, Mo, Cu以及TiN。 测定了镀Ti金刚石的单粒抗压强度, 对镀Ti金刚石颗粒进行真空热处理后用MICROLAB MKⅡ电子能谱仪分析了表面结构。 将4种镀膜金刚石与同一型号的未镀膜金刚石以10%的体积分数分别与Co基粉末混合均匀后于840 ℃热压 (热压保温时间为5 min, 压力为30 MPa) , 做成5 mm×5 mm×24 mm的抗弯强度测试试样。 在I342型材料试验机上测定了金刚石试样的抗弯强度。 用X-650型扫描电镜观察断口的形貌, 并用扫描电镜配带的PV9900能谱仪对试样断口上金刚石与结合剂界面进行区域成分分析。

2 结果和分析

2.1金刚石镀膜对其单粒抗压强度的影响

表1所示为实测的镀Ti金刚石在不同镀膜时间下的单粒抗压强度 (50粒的平均值) , 其中0^#样品是未镀膜金刚石。 测试结果表明, 镀膜后金刚石的单粒抗压强度有较大提高, 镀膜时间越长, 提高的幅度就越大, 这实际上是提高了金刚石的抗压等级和使用价值, 有利于提高金刚石工具的磨削能力。 金刚石强度的提高, 可以解释为是由于金刚石在合成时不可避免地存在裂纹等缺陷, 在溅射镀膜过程中, 金属原子将填补到这些裂纹中, 弥补了缺陷, 因而提高了抗压强度。 镀膜时间越长, 即镀层越厚, 对缺陷的弥补也就越完善, 其抗压强度提高的幅度就越大。 所以, 单纯从提高抗压强度这一方面来考虑, 镀层适当厚一点是有益处的。

表1 镀Ti金刚石颗粒的单粒抗压强度

Table 1 Compression strength of Ti-coating diamond

Samples	Coating time/min	Strength/N
0#	-	73
1#	20	88
2#	30	90
3#	40	92
4#	50	97

2.2 镀Ti金刚石表面的XPS分析

将镀Ti金刚石放入真空加热炉中加热到840 ℃, 其目的是模拟热压烧结的温度条件。 XPS测试结果表明: 未经真空热处理以及真空热处理过的镀Ti金刚石表面都含有C, O和Ti。 对比两者的Ti峰开窗口发现, 前者的化学结构是TiO₂ (见图1 (a) ) , 后者分别是TiO₂和TiC (见图1 (b) ) 。 表明镀Ti金刚石经热处理后界面发生了化学反应, 生成了TiC。 由此推断, 镀Ti金刚石与结合剂在热压烧结成型时也能够生成TiC。

2.3镀膜材料对金刚石试样抗弯强度的影响

表2所示为镀Ti, Mo, Cu, TiN以及未镀膜金刚石试样的抗弯强度测试结果和比较分析数据 (抗弯强度数据均为3个试样的平均值) 。 从表2中可以看出, 对于Co基结合剂, 镀Cu金刚石试样较未镀膜金刚石试样的抗弯强度低, σ_cd/σ_d为77.7%, 这是因为Cu不是强碳化物形成元素, 金刚石表面的镀Cu层阻碍了结合剂中Co, Ni等元素与金刚石的相互作用, 导致镀Cu后其结合强度反而会下降, 从而引起抗弯强度值降低; 金刚石镀覆金属Ti, Mo以及TiN后其抗弯强度 (σ_cd) 均较未镀膜金刚石试样的抗弯强度 (σ_d) 高, 前者分别为后者的102.9%, 117%和104.2%。 但除镀Mo试样外抗弯强度的提高不明显。 由此可见, 并不是金刚石镀覆强碳化物形成元素后一定就能够提高金刚石与结合剂的结合强度, 镀膜金刚石与结合剂之间存在着适应性问题, 只有合适的镀膜材料与合适的结合剂和热压条件相匹配才能使镀膜金刚石与结合剂的结合强度有较大的提高 ^[9] 。 对于本文试验的Co基结合剂, 测试结果表明采用镀Mo的方法是比较合适的。

表2 镀膜金刚石样品抗弯强度的测试结果

Table 2 Testing result of bending strength of coated diamond samples

Coating material	σcd/MPa	σcd/σd
Ti-coated	682	1.029
Mo-coated	776	1.170
Cu-coated	515	0.777
TiN-coated	691	1.042

σ_d=663 MPa

2.4金刚石试样断口的形貌和成分分析

图2所示为金刚石试样断口的形貌。 对于未镀膜金刚石试样, 断口中金刚石表面比较干净 (见图1 (a) ) , 没有什么基体物质粘结在金刚石表面, 说明金刚石与结合剂之间的结合为单纯的机械镶嵌, 结合状况不好。 在镀膜金刚石试样 (镀Cu者除外, 下同) 的断口形貌中, 我们发现金刚石表面或多或少都粘结有部分基体物质。 图2 (b) 所示为一镀Ti金刚石表面粘结基体物质的情况, 对这块物质进行能谱分析 (A点) , 确定其主要成分为: Ti5.1%, Mn9.8%, Fe21.8%, Co37.0%, Ni11.5%, Cu13.8%, 除Ti以外其余均为结合剂的成分, 由于扫描电镜的能谱仪不能测出C元素, 无法确定TiC的生成, 但由本文2.2节的分析可以认为, 在此热压条件下反应是能够生成TiC的。 这说明在此界面上镀层金属已经能够和结合剂形成较强的化学结合。 不过由于这种较大面积的基体粘结现象不多, 因而对结合强度的提高不是很明显。 另外, 在镀Mo金刚石试样的断口形貌中, 较大面积的基体粘结现象也不多, 但却发现了较多的穿晶断裂现象 (图2 (c) ) , 这种情况只有在金刚石与结合剂的结合强度较高的情况下才能够出现, 说明镀Mo金刚石与结合剂之间有了较好的结合。 另一方面, 镀Mo层会改变局部结合剂的性能, 形成局部强化、 硬化或韧化以及由此引起的内部应力状态的改变 ^[10] 。 两者共同引起抗弯强度显著提高。

图1 金刚石样品中Ti 2p的XPS谱图

Fig.1 XPS spectra of Ti 2p for diamond samples

(a) —Untreated sample; (b) —Vacuum heat treated sample

图2 金刚石试样的断口形貌

Fig.2 Fracture morphologies of cobalt-matrix samples

(a) —Status of diamond surface in no-coated diamond samples; (b) —Binding status between matrix and Ti-coated diamond; (c) —Phenomenon of diamond rupture in Mo-coated diamond samples

上述分析表明, 镀膜金刚石与Co基结合剂能够形成化学结合, 但在本文试样的热压条件下, 这种化学结合仅仅是局部的, 对结合强度的提高作用不是很大。 而镀Mo金刚石结合强度的提高, 其主要原因是金刚石镀Mo后结合剂对金刚石的浸润性增强而不是形成了广泛的化学结合, 因而对结合强度的提高幅度不是很大。

3 结论

1) 金刚石镀Ti, Mo以及TiN后将提高其单粒抗压强度, 增加它的使用价值。

2) 金刚石表面镀覆强碳化物生成元素Ti, Mo等, 能够提高金刚石与结合剂的结合强度, 但与结合剂的成分有很大的关系, 与热压条件也有很大的关系。 在本文的试验条件下, 镀Mo金刚石结合强度提高的幅度较大。

3) 在本文试样的热压条件下, 镀层金属与金刚石能够生成碳化物而形成化学结合, 但仅是局部的, 对结合强度的提高还未起主导作用。

参考文献

[1] PENG Xi-ling (彭希林) , LÁ Hai-bo (吕海波) . 金刚石表面渗覆金属处理的研究[J]. Powder Metallurgy Technology (粉末冶金技术) , 1992, 10 (1) : 3-6.

[2] PEI Yu-tao (裴宇韬) , TU Hou-ze (屠厚泽) , LI Mei-heng (莉美恒) . 镀膜金刚石的耐热性及其镀层作用机制[J]. J Synthetic Crystals (人工晶体学报) , 1994, 23 (3) : 195-201.

[3] Sun Y C. 金刚石表面金属化热动力学机理研究[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics (中国高压物理学报) , 1992, 6 (1) : 37-42.

[4] Naidich Y V, Zabuga V R. Temperature dependence of spreading kinetics in systems with different types of interaction of contacting phases [J]. Adgez Rasplavov Paika Mater, (in Russian) , 1992, 27: 23-24.

[5] Umansky V P, Zinkova E R, Sabaldyr V Y. Study of deposition processes and strength of contact between a niobium coating and diamond surface [J]. Sverkhtverdiye Materialy, (in Russian) , 1995, 17 (6) : 10-16.

[6] ZHANG Wen-qi (张文奇) . 镀TiN和Ti-Cr合金后金刚石抗压强度的变化及应用分析[J]. Diamond & Abrasives Engineering (金刚石与磨料磨具工程) , 1998 (2) : 2-6.

[7] HU Huan-xiao (胡焕校) , LIU Jing (刘 静) . 金刚石锯片胎体的耐磨性[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals (中国有色金属学报) , 2000, 10 (3) : 400-403.

[8] Hu G R, Yang J H, Liu Y X, et al. Deposition of tung- sten-titanium carbides on surface of diamond by reactive PVD [J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 1999, 9 (4) : 838-841.

[9] LI Chen-hui (李晨辉) , LÁ Hai-bo (吕海波) , LIU Xiong-fei (刘雄飞) . 镀TiN金刚石与结合剂之间的结合状态研究[J]. Powder Metallurgy Technology (粉末冶金技术) , 1999, 17 (4) : 243-247.

[10] LI Chen-hui (李晨辉) , LÁ Hai-bo (吕海波) , MOU Yi-bin (牟一兵) . 镀Mo金刚石与结合剂之间的结合状态研究[J]. Diamond & Abrasives Engineering (金刚石与磨料磨具工程) , 2000, 1 (115) : 9-11.