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1、第19卷第2期矿冶工程Vol.19№21999年6月MININGANDMETALLURGICALENGINEERINGJune1999①复合技术在超硬材料上的应用张沪,张福勤,何琦,柏敏(长沙矿冶研究院,湖南长沙410012)摘要:介绍了复合技术在超硬材料(如金刚石镀层、金刚石/树脂复合体、金刚石/金属复合体、聚晶金刚石)上的应用现状及方法特点,并对复合技术在超硬材料工具制造方面的应用前景和努力方向进行了探讨。关键词:复合技术;超硬材料;金刚石我国超硬材料从孕育、诞生到逐步壮大经历了30个数量级。CVD法镀膜的硬质合金拉丝膜、刀具寿命多年的风风雨雨,据统计从1990年到1997年,我国金成倍
2、增长。但是由于CVD法的难以控制和价格昂贵,刚石单晶产量年平均增长速度大于40%。1997年我CVD镀膜工具尚未进入工业化生产。国金刚石产量达100t,成为世界金刚石产量第一大1.2树脂结合剂粘结的金刚石/树脂复合体国。目前我国年出口金刚石与制品大约各20t,其中将预先处理好的金刚石粉均匀混合到树脂中,再金刚石以RVD、MBD4及微粉为主,制品则以小的金脱水干结。用这种方法可制造金刚石砂轮等工具。树刚石热压锯片和各种小的金刚石异形电镀制品为主。脂结合金刚石的发展可追索到1926年,Bakelite公司但与此同时我国还花费大量外汇进口金刚石及其工具的酚醛树脂结合金刚石在那一年获得了美国专利,制
3、品,出口与进口产品价格相差悬殊。据统计,我国每1936年树脂结合金刚石砂轮在工业上得到了应用。年仅进口修整器用天然金刚石一项就需花费上百万美用作结合剂的树脂材料一般耐温在100～200℃,近期元,而国外已采用聚晶金刚石硬质合金复合片取代天也发展了耐温达400～500℃的树脂材料。树脂结合然金刚石制造修整器。我国金刚石制品工业与国外先剂粘结金刚石工具在使用时工作温度不能超过树脂材[1]进水平存在一定差距,因此,提高我国人造金刚石品料的耐热温度,否则工具破坏失效。位,开发高质量、高性能的金刚石工具制品已是当务1.3金属结合剂粘结的金刚石/金属复合体之急。将金刚石粉同金属或合金粉末混合均匀,压实成
4、型,再经保护气氛烧结、或热压烧结、或真空烧结。烧1复合技术在超硬材料工具中的应用结体的性能取决于结合剂对金刚石的把持力。近来,人工合成的金刚石一般难以直接用作工具。金刚真空烧结技术受到了广泛的重视,较之常规烧结过程,石工具是通过采用一些特殊的方法将金刚石颗粒稳定真空烧结技术有几大优点:①减小高温烧结过程有害地固定于工具的有效工作部位来实现的,这种方法是元素对金刚石性能的影响,提高结合剂对金刚石的把超硬材料工具制造的技术关键。复合技术是一种重要持力;②无需外部加压即可得到高金刚石浓度的无孔的金刚石工具制造技术。或微孔烧结体;③减少中间环节和劳动力,降低生产[2]1.1镀层成本30%～40%;④
5、不造成环境污染。金属结合采用电镀或电解沉积的方法在工具表面镀复上一剂粘结金刚石烧结体可用来制造钻头、宝石抛光工具、层含金刚石的金属层(如镍),细颗粒金刚石均匀弥散玻璃加工工具、制纸浆工具、加工橡胶工具及建筑材料[1,2]地分布在镀层中。用这种方法可制造精磨工具及工件锯切工具等。的耐磨镀层。然而,由于用作金刚石结合剂的镀层金1.4聚晶金刚石/硬质合金复合体属易于蚀离,导致金刚石颗粒外露、剥离,从而引起耐聚晶金刚石(PCD)是性能最接近大颗粒天然金刚磨层失效。石的人造金刚石聚合体,在工具制造上聚晶金刚石可[3]80年代中期以来金刚石气相沉积(CVD)法的成以在很大程度上取代大颗粒天然金刚石的地位
6、。功和发展,使得在工具表面复上一层致密金刚石薄膜制造聚晶金刚石通常采用的方法是:选用合适形状及的设想成为可能。国际AsahiDiamond公司的O'oka尺寸的人造金刚石粉,预处理后在高温高压(约1500博士等声称采用电激活CVD法在碳化物陶瓷上复上℃,6000MPa)有金属相存在的条件下烧结而成,[4]了一层5～50μm金刚石薄膜,工具寿命可以提高一PCD中金刚石体积浓度达90%以上。常用的是在①收稿日期1998-12-04第一作者男教授8矿冶工程第19卷烧结的同时使PCD固着于一层硬质合金衬底上形成工、金属拉丝等领域。作者认为在以下金刚石工具制[5,6]聚晶金刚石/硬质合金复合体。造中复
7、合技术具有广泛的应用前景。在烧结聚晶金刚石的过程中,所施加的压力会在2.1聚晶金刚石/碳化钨钴硬质合金复合体金刚石颗粒间某些部位产生局部高压点,加热温度达金刚石粉经净化和真空处理后,与添加剂混合,然到碳/熔剂金属的低共熔点后,将导致局部高压点的金后同碳化钨钴硬质合金片组装(见图1)在六面顶压机刚石晶体熔融,沿相邻金刚石的某些优先晶面外延生上烧结。长;同时,在烧结过程中,相邻金刚石晶粒之间会产生晶格转动,使相邻
