金屬基金剛石工具多采用真空或保護(hù)氣氛燒結(jié)制備，其目的是防止氧化氣氛的存在使金剛石過早石墨化。但采用堆焊技術(shù)將金剛石與硬質(zhì)合金混合敷焊于鋼齒石油鉆頭上時，金剛石抗壓強(qiáng)度下降；大大影響金剛石工具的使用效果。

      因此，防止高溫下的金剛石因氧化而轉(zhuǎn)變成石墨，是提高金剛石工具使用效率和壽命的關(guān)鍵因素[1]。目前國內(nèi)外一般采用表面鍍覆金屬的方法來減少金剛石高溫石墨化傾向，降低金剛石與鍍覆金屬間的界面能[2]，實(shí)現(xiàn)金剛石與多種金屬材料的浸潤，并通過該層金屬與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而提高金剛石與基體的結(jié)合強(qiáng)度，以利于充分發(fā)揮金剛石的性能。

      本文簡單描述了化學(xué)氣液相處理(CVLT)技術(shù)制備表面金屬化金剛石的過程，并通過表面金屬化金剛石與未鍍單晶金剛石的對比測試，著重分析氧化環(huán)境對兩種狀態(tài)金剛石熱穩(wěn)定性的影響。

      02

      實(shí)驗

      單晶金剛石（型號SMD35、粒徑40/45）表面金屬化采用化學(xué)氣液相處理（CVLT）工藝制作：

      (1)將單晶金剛石放入真空氣氛加熱爐中，在負(fù)壓（-0.09MPa）下加熱至800℃，通入Ti、Cr氯化物蒸發(fā)氣和氫氣，反應(yīng)1h后停止通反應(yīng)氣，樣品在氫氣保護(hù)下隨爐冷卻后出爐。

      (2)經(jīng)氣相反應(yīng)后的單晶金剛石，放入Ni-Cr-W-P化學(xué)鍍液中，在90℃鍍覆1.5h，取出用清水清洗后烘干。

被測樣品在馬弗爐中加熱，其參數(shù)如下表1： 

      采用體視顯微鏡（XTL-500）觀察常溫和高溫氧化兩種狀態(tài)金剛石表面形貌變化；分析天平（AR2140）稱量金剛石在各加熱環(huán)境的失重情況；X射線衍射儀（DX-1000X）測試金剛石及金屬化膜層結(jié)構(gòu)；抗壓強(qiáng)度測定儀（LY—007型）對金剛石單晶進(jìn)行單?？箟簻y試，測定其40粒平均抗壓強(qiáng)度。

      03

      結(jié)果與討論

      3.1

      形貌觀察及分析

      圖1為未金屬化金剛石單晶900℃加熱前后的體視顯微形貌像，其中（a）顯示：金剛石顆粒形狀規(guī)則，表面光滑，邊棱銳利，圖（b）顯示金剛石加熱后失去光澤，棱角模糊，尺寸變小，且表面有較大的蝕坑（如圖中箭頭處）。

　　圖1 無鍍膜金剛石體視顯微形貌圖片（×30）

　　圖2為CVLT金屬化金剛石單晶900℃加熱前后的體視顯微形貌像。其（a）圖顯示：金剛石被金屬膜層完全包裹，呈現(xiàn)金屬光澤，顆粒飽滿，棱角規(guī)則。加熱后，棱角分明，尺寸未發(fā)生變化，部分金剛石金屬膜層脫落，其表面出現(xiàn)較小蝕坑，如（b）圖所示。

　　圖2CVLT金屬化金剛石體視顯微形貌圖片（×30）

       3.2組成相及結(jié)構(gòu)分析

      金剛石金屬化后金屬膜層減輕熱蝕程度，其金屬膜層衍射圖譜如圖3：金剛石表面碳原子與鍍層金屬Cr發(fā)生碳化物形成反應(yīng)，生成Cr3C2，形成了冶金結(jié)合。同時，通過化學(xué)鍍在金剛石的表面形成復(fù)合膜層，其中含有Ni元素。

　　圖3CVLT金屬化金剛石X射線衍射圖譜

      對三個（常溫、800℃和900℃）不同加熱溫度的未鍍膜金剛石進(jìn)行XRD衍射分析，其圖譜如圖4所示：常溫條件下金剛石X衍射峰值最高，800℃時，峰值已明顯下降，1000℃時，峰值強(qiáng)度降到一個極小的值。

　　圖4不同溫度未鍍膜金剛石XRD衍射圖譜  

      CVLT金屬化金剛石加熱到1000℃后，進(jìn)行XRD衍射分析，其圖譜如圖5：金剛石特征峰非常明顯，峰值較大，峰值強(qiáng)度影響較小。

　　圖5加熱到1000℃CVLT金屬化金剛石XRD衍射圖譜

      3.3熱失重測試

      金剛石受熱溫度不同，氧化和石墨化程度不同[3]。石墨化引起金剛石失重，實(shí)驗中，分別將加熱后的未金屬化和金屬化金剛石，用分析天平稱量，計算失重率，其結(jié)果如表2，根據(jù)表2數(shù)據(jù)作出熱失重曲線圖6。

　圖6金剛石熱失重曲線

      圖6顯示：未鍍膜金剛石在空氣中加熱到約650℃時開始發(fā)生失重（氧化開始更早），溫度低于800℃時金剛石失重不明顯，失重率較小，隨著加熱溫度升高，金剛石氧化和石墨化速度增大，失重率變大，1000℃時，金剛石失重達(dá)自身重量的1/3。

      高溫階段，金屬化金剛石的失重率較小，低于未鍍膜金剛石，隨著溫度的升高，金屬化金剛石的失重率緩慢增大，而此時未鍍膜金剛石失重率急劇增加，溫度升高到1000℃時，金屬化金剛石的失重率僅為10.38﹪，為相同條件下未鍍膜金剛石失重率的1/3。

       3.4

      抗壓強(qiáng)度測試  

      金剛石失重率發(fā)生變化，其抗壓強(qiáng)度也會受到一定影響[4]。采用LY—007型抗壓強(qiáng)度測定儀對加熱后每組40粒金剛石單晶進(jìn)行單?？箟簻y試，結(jié)果如表3；其抗壓強(qiáng)度曲線如圖7:

　　表3不同溫度下金剛石的抗壓強(qiáng)度 

      表3和圖7顯示：常溫下未鍍膜金剛石的抗壓強(qiáng)度大于金屬化金剛石，這是由于在金屬化過程中，金剛石單晶受到一定的熱損傷，其強(qiáng)度下降約為49N；隨著溫度升高，未鍍膜金剛石抗壓強(qiáng)度下降較快，常溫下抗壓強(qiáng)度為348.88N，1000℃時，抗壓強(qiáng)度值下降為165.62N，為常溫下的47.5％，CVLT金屬化金剛石從常溫到800℃溫度區(qū)間其抗壓強(qiáng)度幾乎未發(fā)生變化，1000℃時，抗壓強(qiáng)度值下降為245.00N，降低16.8％，比相同條件下未鍍膜金剛石提高了35.7個百分點(diǎn)。                  

　　圖7 金剛石單粒抗壓強(qiáng)度曲線  

      論文中，未鍍膜金剛石在空氣中高溫加熱后，由于氧氣存在，石墨化在650℃較低溫度開始，此時發(fā)生石墨化實(shí)際上是氧的作用，其反應(yīng)如下式[5]：

      由于石墨化，金剛石出現(xiàn)熱蝕現(xiàn)象，表面形成蝕坑（如圖1），金剛石發(fā)生氧化失重，抗壓強(qiáng)度降低，單晶金剛石的熱穩(wěn)定性能變差，溫度越高，石墨化速率越快，熱腐蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重，失重越多，抗壓強(qiáng)度降低越多[6]。

      采用CVLT技術(shù)在金剛石表面實(shí)現(xiàn)金屬化，其金屬膜層與金剛石發(fā)生碳化物形成反應(yīng)，生成Cr3C2，形成了冶金結(jié)合。碳化物的形成不僅可以降低內(nèi)界面張力，而且能促進(jìn)Cr原子向界面的金剛石一側(cè)擴(kuò)散，使金剛石和金屬持續(xù)地發(fā)生Cr3C2碳化物形成反應(yīng)。

      通過金剛石界面上的Cr3C2碳化物層強(qiáng)有力地把持住金剛石，防止金剛石過早脫落，同時，通過化學(xué)鍍在金剛石的表面形成復(fù)合膜層，復(fù)合膜層中含有Ni元素，在單晶金剛石與金屬連接（燒結(jié)，焊接）時，能與多種金屬很好的浸潤，更容易與金屬基材料連接。并且金屬化膜層隔離氧氣，降低金剛石石墨化速率，減輕金剛石基體出現(xiàn)的熱蝕現(xiàn)象，保護(hù)金剛石基體，改善金剛石表面介質(zhì)來提高金剛石的熱穩(wěn)定性能。

      04

      結(jié)論

      1、采用化學(xué)氣液相處理(CVLT)技術(shù)在金剛石表面形成復(fù)合膜層，膜層金屬中的Cr元素與金剛石表面C原子發(fā)生碳化反應(yīng)形成Cr3C2碳化物層，實(shí)現(xiàn)了鍍層與金剛石的化學(xué)鍵結(jié)合；同時復(fù)合膜層與多種金屬材料能發(fā)生浸潤，改善金剛石與其他金屬的連接。

      2、CVLT金屬膜層保護(hù)金剛石基體，防止金剛石氧化和石墨化，其熱穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于未鍍膜金剛石。