自古以來，金剛石都一直被視為是一種極為名貴的裝飾品。但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，金剛石獨特的力學(xué)、熱血和電學(xué)性能逐漸被挖掘出來，使它從單純的工藝品搖身一變成為了重要的工業(yè)原料。

金剛石砂輪

極為出色的硬度和耐磨性，使以金剛石為原料制成的工具和磨具被機械、建材、光學(xué)儀器、冶金、電子、石油等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如人造金剛石制作的各種磨輪、砂輪、砂布、研磨膏就在機械加工方面相當(dāng)有一手，能很好地提高機械產(chǎn)品光潔度、尺寸精密度。

一、金剛石表面金屬化的意義

但金剛石本身再優(yōu)秀，也會孤掌難鳴——這是由于人造金剛石顆粒粒度分布都比較小，幾乎所有的使用都要求將晶體結(jié)合在基體上或者植入其中。但金剛石與大部分金屬、陶瓷等均具有較高的界面能，因此金剛石與基體的結(jié)合力較差，容易造成金剛石的早期脫落。

目前金剛石鋸切工具多用粉末冶金法生產(chǎn)，燒結(jié)溫度一般高達(dá)900℃，而金剛石在空氣中加熱到700℃左右時，就開始氧化失重，抗壓下降；在1000℃以上金剛石就發(fā)生石墨化，從而大大影響金剛石的使用效果。

細(xì)小的人造金剛石微粉

因此，如何提高金剛石的抗氧化性、防止石墨化是改善金剛石工具在高溫領(lǐng)域使用壽命的關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)外一般采用在金剛石表面鍍覆金屬的方法來降低金剛石與基體的界面能，并通過該層金屬與結(jié)合劑形成穩(wěn)定的化學(xué)冶金結(jié)合。結(jié)合劑主要起到以下重要作用：

①分散、把持金剛石顆粒

②使金剛石顆粒有一定的露出；

③防止金剛石顆粒過早脫落；

④將工作過程中產(chǎn)生的熱量迅速散傳出去，承受和分散金剛石工作時產(chǎn)生的沖擊。

二、金剛石表面金屬化的原理

金剛石表面金屬化是利用表面處理技術(shù)在金剛石顆粒表面鍍覆金屬，使其表面具有金屬或類金屬的性能。金屬化表面由三層材料組成，從外到內(nèi)，分別如下：

第一層是金屬層，它能賦予金剛石表面許多新的特性，如優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性；

第二層是合金化層，它由碳化物和金屬兩種結(jié)構(gòu)組成；

第三層是碳化物層，一般厚度在幾百至上千埃，可牢固地附著在金剛石顆粒表面，是金剛石顆粒表面金屬化的關(guān)鍵所在，一般由與金剛石浸潤性好的金屬，如Ti、W、Cr、V等組成，這些元素在高溫下能與金剛石發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定的碳化物。它不僅能與金剛石存在較好的化學(xué)結(jié)合，而且可隔絕其與氧氣的直接接觸，防止它在高溫下被氧化。

金剛石表面金屬化層

三、金剛石表面金屬化的方法

目前國內(nèi)外常用的鍍覆方法有如下幾種：

1.化學(xué)鍍加電鍍

該方法具體是指首先通過氧化-還原反應(yīng)在金剛石表面沉積金屬如Ni、Co、Cu或者Ni-W、Co-W等復(fù)合金屬等，使金剛石到店，然后再對其進(jìn)行電鍍，得到需要的鍍層。金剛石顆粒的化學(xué)鍍加電鍍產(chǎn)品通常只用于樹脂結(jié)合劑工具，能夠增加金剛石顆粒表面的粗糙度，改善結(jié)合劑對顆粒的物理把持力，同時鍍層可以彌補金剛石顆粒的內(nèi)部缺陷，提高其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。

值得注意的是金剛石表面化學(xué)鍍或電鍍Ni、Co、Cu不適用于金屬結(jié)合劑工具，即使鍍Ni-W、Co-W合金的產(chǎn)品也不能用于金屬結(jié)合劑工具，其原因是Ni、Co為石墨化元素，不能起冶金結(jié)合作用。

2.鹽浴法

鹽浴鍍就是往氯化物中加入Ti或Cr等金屬粉末，然后再講金剛石顆粒投入該混合溶液，將該溶液加熱至850℃~1100℃，鹽浴處理1~2h后金剛石表面形成了相應(yīng)的碳化物鍍層。這種方法的主要優(yōu)點是鍍層與金剛石結(jié)合牢固；缺點是鍍覆溫度高，鍍后從鹽浴中分離金剛石工藝復(fù)雜、鍍覆成本高。

3.真空鍍

用于金屬結(jié)合劑金剛石工具如鋸片、地質(zhì)鉆頭等的金剛石表面應(yīng)該采用強碳化物形成元素進(jìn)行鍍覆，如Ti、cr、Mo、w、V等，這些金屬一般通過真空鍍覆的方法沉積于金剛石表面，但該方法需要真空設(shè)備，工藝復(fù)雜。目前國內(nèi)外常用的真空鍍覆技術(shù)有以下幾種：

（1）真空物理氣相沉積鍍（PVD）

真空物理氣相沉積是指采用真空蒸發(fā)鍍膜機、磁控濺射鍍膜機或者離子束鍍膜機等設(shè)備并對其抽真空，將靶材金屬氣化成原子、分子或離子直接沉積到鍍件表面上。根據(jù)鍍膜時氣化方式的不同，可以將該法分為真空蒸發(fā)鍍、真空濺射鍍和真空離子鍍。

但是該方法存在一些缺點，如單次鍍覆量低，鍍層不均勻，容易出現(xiàn)漏鍍，鍍層與金剛石之間只是物理附著，無化學(xué)冶金結(jié)合等；為了得到最佳鍍層結(jié)構(gòu)要反復(fù)多次鍍覆，難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

（2）真空化學(xué)氣相鍍（CVD）

化學(xué)氣相鍍是利用氣態(tài)物質(zhì)在一定壓力、溫度、時間條件下，在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成鍍層。CVD一般是將被鍍金屬的氣態(tài)化合物（如鹵化物等）導(dǎo)入放有鍍件的反應(yīng)室內(nèi)，與工件接觸發(fā)生熱分解或化學(xué)合成而形成鍍層。

但該方法反應(yīng)溫度一般高達(dá)900～1200℃，易損傷金剛石；與PVD一樣，存在反應(yīng)氣相難以滲入堆積的顆粒內(nèi)部、單次鍍覆量低、成本高的問題。

4.粉末覆蓋燒結(jié)

利用高溫下金屬粉末與金剛石接觸反應(yīng)，在金剛石表面形成碳化物或金屬層，稱為粉末覆蓋燒結(jié)法或固體粉末接觸反應(yīng)法。鍍層的形成實際上是粉末中的金屬氧化物（如WO₃、WO₂、MoO₃、MoO₂）高溫下易揮發(fā)并與金剛石表面碳原子發(fā)生碳還原反應(yīng)形成碳化物。

這種方法雖然可提高單次鍍覆量，但由于鍍覆溫度一般高于850℃，金剛石會被氧化，抗壓強度降低，實際使用效果表明對金剛石工具性能改善并不明顯。

資料來源：

金剛石顆粒表面鍍覆碳化鈦包覆層的研究，羅雯。

金剛石表面金屬化的研究現(xiàn)狀，冒愛琴，何宜柱，鄭翠紅，朱偉長，閆勇，李家茂。

粉體圈 小榆 整理