金刚石工具制作方法对金刚石性能的影响

刘晓

摘要:采用电解法对电镀法、热压烧结法和钎焊法制备的金刚石刀头进行腐蚀，将腐蚀后的金刚石与原始金刚­石进行粒径、表面形貌、透明度、色度等的比较和分析，并对金刚石进行常温冲击强度(TI)和热冲击强度(TTI)测­试，研究金刚石工具的制作方法对金刚石性能的影响。结果表明，镀液浸泡和热压后金刚石粒径基本无变化，钎­焊使金刚石尺寸变大:使金刚石表面形貌粗糙度由大到小、透明度由差到好和色度值由小到大的制备方法依次为­真空钎焊、热压烧结和电镀。冲击强度测试表明，每种方法制作的金刚石工具腐蚀后，金刚石的TI和TTI值都­有所下降，下降幅度从大到小依次为真空钎焊、热压烧结和电镀。­

关键词:制作方法；金刚石性能；冲击强度

金刚石是自然界已知物质中最硬的物质，在工业­上得到愈来愈广泛的应用。采用金刚石工具(或金刚石­制品)可大大提高生产率和产品质量，为生产工艺自动­化创造条件,并能解决一些特殊加工和疑难加工问题。­目前制造金刚石工具的方法主要有热压、电镀和钎焊烧结3种方法。胎体配方和制作方法对金刚石工具的­性能都有重要的影响。高温下胎体中的Fe元素会对金­刚石产生刻蚀作用，钎料中的Cr、Ti、V等元素可­与金刚石形成碳化物，使得金刚石钎料与金刚石达到­化学冶金结合,在低温的酸性镀液中，金刚石基本保持原始性能沉积在镀层中。有关金刚石工具的制­作方法对金刚石性能影响的研究尚未见报道，本文作­者分别对用电镀(用镀液浸泡模拟电镀环境)、热压与­钎焊法制作的金刚石工具进行腐蚀，分析腐蚀后金刚­石颗粒的尺寸、形状、亮度和颜色，并对腐蚀后的金­刚石颗粒进行冲击强度和热冲击强度测试，与原始金­刚石颗粒进行对比，研究金刚石工具的制作方法对金­刚石性能的影响，以期为金刚石工具的制作提供一定­的参考数据。

1实验­

1.1试样制备

­取JRD380品级的40/45目(粒径在0.455-0.360­mm­之间)金刚石32 g(160克拉)。分别采用电镀、热­压和钎焊3种方法制作金刚石刀头，具体过程如下:取约6 g金刚石放入装有常规电镀金刚石工具镀液的­烧杯中静置3天，镀液的基本成分为NiSO₄、7H₂O、­CoSO₄6H₂O、NaCl、 HBO等，接着进行45度恒温­水浴，其PH值为4;取约10g金刚石，与常规Cu-Fe­基胎体粉末混合后装模，然后在智能电阻炉上热压烧­结，烧结温度850 C，保温3 min, 烧结压力为27MPa;取约10 g金刚石放入氧化铝坩埚舟中，撤上一­定的Ni-Cr合金钎料，在真空炉中钎焊烧结，烧结温­度1000 C，保温10 min;剩氽6 g金刚石作为原料与电镀、热压及钎焊后的金刚石进行对比分析。­每组试样做3轮重复试验，取3轮试验结果的平­均值作为统计分析。

­1.2腐蚀实验­

为使热压和钎焊法制作的金刚石工具中的金刚石­从胎体中脱离出来，且不受强酸的影响，采用电解法­对金刚石刀头进行腐蚀，电解液为NaCl 溶液。由于­金刚石和铬的碳化物都耐腐蚀而胎体粉末与钎料易被­腐蚀去除，电解腐蚀后仅剩下金刚石与表面生成的碳­化物。电镀法制备的金刚石刀头不需再进行腐蚀。将­用NaCl 溶液腐蚀后所得的热压、钎焊金刚石和镀液­浸泡后的金刚石洗净、烘干，用于检测。

1.3性能测试

­用某公司生产的金刚石扫描仪进行金刚石的尺寸­(最小粒径、等圆直径)、形状(外轮廓、紧密度、椭圆­度、延伸率、粗糙度)、亮度(透光度、明亮度)和颜色(色­度a、色度b)测试。用某公司生产的超硬磨料冲击试验仪和高温管式­电阻炉进行常温冲击强度Tl(toughness index)和热冲­击强度TTl(thermal toughness index)测试。 测定常温­冲击强度TI时取0.4g试样放入容器内并放入钢­球，然后密封装在振动器上，钢球沿容器轴线方向自­由冲击金刚石，经过一定时间后用标准筛称量保持初­始尺寸的金刚石颗粒的质量，以该质量占金刚石颗粒­总质量的百分比表示金刚石的抗冲击强度;常温冲击强度TI与人造金刚石晶形、晶体内部裂­纹等晶体特性密切相关。热冲击强度TTI测定是将人­造金刚石颗粒在高温条件下焙烧,待冷却到­室温后，再按TI测试方法进行测试;­它不仅与πI有关，而且与金刚石晶体内部的杂质密­切相关间。TI、TTI值越大,表示金刚石抗冲击性能越­好。

2金刚石的表面形貌

­腐蚀后金刚石颗粒的表面形貌可大致反映制作方­法对金刚石性能的影响程度。对腐蚀后的3种金刚石­进行扫描原料­金刚石颜色偏黄，大多为六八面体。理论计算表明，­八面体金刚石的椭圆度为1.1547,六面体金刚石的椭­圆度为1.000椭圆度在1.000 -1.154 7之间的为六面­体-八面体金刚石，其强度通常优于六面体和八面体­金刚石；当椭圆度在1.10之内则具有高的热冲击强度­和等静压强度。原料金刚石的椭圆度值在­1.07左右，属优质金刚石被镀液浸泡后的金刚石并不像原始­金刚石颗粒一样有较多的黄色颗粒，颜色稍暗，大部­分颗粒有些发灰。在显微镜下观察到此种金刚石呈黄­绿色，透明度好。扫描数据也表明，与原料­金刚石(明亮度0.470,透光度0.960)相比，镀液浸泡­后的金刚石明亮度明显下降(0.461),透光度明显提高(0.997)。其原因可能是在金刚石原料的合成中，空气­中的氮不可避免地以替代方式进入到金刚石中，使得­金刚石在近红外线区的吸收量较少，但会吸收可见的­蓝光，因而显现黄绿色旧。另外，镀液浸泡可能使金­刚石中的黑色杂质发生反应，使金刚石变得更透明；也可能是镀液浸泡后金刚石表面吸附了一些硼酸等晶­体，导致金刚石颜色发绿，明亮度下降。资料显示回，­当金刚石中含有杂质元素Ni时颜色变绿。在相同条­件下，淡黄色金刚石的热稳定性最好，浅绿色金刚石­次之，灰黑色金刚石最差。由此可见，可能是长时间­的酸性镀液浸泡,镀液中的Ni离子在毛细管力的作用­下进入到金刚石的微裂缝中，导致金刚石变绿，热稳­定性下降。从表1所列TTI数据可知镀液浸泡会降低­金刚石的热稳定性。与原料金刚­石相比，颜色变化不大,但有一部分金刚石明显变暗、­泛黑。此时­金刚石大部分已经变黑。热压及钎焊后金刚石变暗、­变黑是由于高温烧结使得金刚石产生部分碳化反应。镀液浸泡、热压和真空钎焊对金刚石的­形貌都有一定的影响。­与JRD 380原料金刚石相­比，镀液浸泡后的金刚石和经过热压烧结的金刚石，­其最小粒径和等圆直径都基本无变化，而钎焊烧结后­金刚石颗粒尺寸偏大，但经TTI测试后，金刚石的尺寸比原料尺寸有所减小。分析其原因，由于人造金刚­石的尺寸并不完全一致， 且这里的尺寸是随机抽取的­样品的统计平均值,统计过程本身有误差(这一原因同­样适合下面的各项数值)，JRD 380原料粒径在0.425­左右。经过热压和钎焊烧结后的金刚石，由于物质的颜色深、光泽强、透明度好的晶体抗压强度高，­但就热稳定性而论却是黄绿色的好一些。发现从原料、镀液浸泡、热压到­钎焊后的金刚石明亮度数值逐渐下降。

3结论

­1) 3种金刚石工具制作方法对金刚石都产生了影­响:镀液浸泡使得金刚石变透明，热压和钎焊分别使­得金刚石变暗、发黑。镀液浸泡、热压烧结和真空钎­焊均使金刚石的明亮度由好到差(数值由大到小)、色­度值(绝对值)由大到小；2)镀液浸泡和热压后金刚石粒径基本无变化,钎焊烧结后金刚石尺寸有所变大；­3)镀液浸泡和热压烧结后金刚石的粗糙度与原­料的粗糙度相差不大，但钎焊后金刚石粗糙度明显偏­大，粗糙度变化趋势为钎焊>热压镀液浸泡；4)与原料金刚石相比，3种方法制作的金刚石的­TI值和TTI值都有所下降，且TI和TTI下降趋势相­同，下降幅度为:钎焊>热压>镀液浸泡。

参考文献：

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