刘晓
13102819891022****
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0.455-0.360 mm 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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