金屬基金剛石工具多采用真空或保護氣氛燒結制備，其目的是防止氧化氣氛的存在使金剛石過早石墨化。但采用堆焊技術將金剛石與硬質合金混合敷焊于鋼齒石油鉆頭上時，金剛石抗壓強度下降；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變成石墨，是提高金剛石工具使用效率和壽命的關鍵因素[1]。目前國內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)生化學反應，生成穩(wěn)定的化學鍵，實現(xiàn)冶金結合，從而提高金剛石與基體的結合強度，以利于充分發(fā)揮金剛石的性能。

      本文簡單描述了化學氣液相處理(CVLT)技術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

      實驗

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

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

      (2)經氣相反應后的單晶金剛石，放入Ni-Cr-W-P化學鍍液中，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構；抗壓強度測定儀（LY—007型）對金剛石單晶進行單粒抗壓測試，測定其40粒平均抗壓強度。

      03

      結果與討論

      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組成相及結構分析

      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，生成Cr3C2，形成了冶金結合。同時，通過化學鍍在金剛石的表面形成復合膜層，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，其結果如表2，根據表2數據作出熱失重曲線圖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

      抗壓強度測試  

      金剛石失重率發(fā)生變化，其抗壓強度也會受到一定影響[4]。采用LY—007型抗壓強度測定儀對加熱后每組40粒金剛石單晶進行單粒抗壓測試，結果如表3；其抗壓強度曲線如圖7:

　　表3不同溫度下金剛石的抗壓強度 

      表3和圖7顯示：常溫下未鍍膜金剛石的抗壓強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，其強度下降約為49N；隨著溫度升高，未鍍膜金剛石抗壓強度下降較快，常溫下抗壓強度為348.88N，1000℃時，抗壓強度值下降為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)間其抗壓強度幾乎未發(fā)生變化，1000℃時，抗壓強度值下降為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。                  

　　圖7 金剛石單粒抗壓強度曲線  

      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)生石墨化實際上是氧的作用，其反應如下式[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)象越嚴重，失重越多，抗壓強度降低越多[6]。

      采用CVLT技術在金剛石表面實現(xiàn)金屬化，其金屬膜層與金剛石發(fā)生碳化物形成反應，生成Cr3C2，形成了冶金結合。碳化物的形成不僅可以降低內界面張力，而且能促進Cr原子向界面的金剛石一側擴散，使金剛石和金屬持續(xù)地發(fā)生Cr3C2碳化物形成反應。

      通過金剛石界面上的Cr3C2碳化物層強有力地把持住金剛石，防止金剛石過早脫落，同時，通過化學鍍在金剛石的表面形成復合膜層，復合膜層中含有Ni元素，在單晶金剛石與金屬連接（燒結，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，保護金剛石基體，改善金剛石表面介質來提高金剛石的熱穩(wěn)定性能。

      04

      結論

      1、采用化學氣液相處理(CVLT)技術在金剛石表面形成復合膜層，膜層金屬中的Cr元素與金剛石表面C原子發(fā)生碳化反應形成Cr3C2碳化物層，實現(xiàn)了鍍層與金剛石的化學鍵結合；同時復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。