[发明专利]一种应用于石材切割刀具的金刚石表面镀覆工艺

说明书

本发明提供了一种应用于石材切割刀具的金刚石表面镀覆工艺，属于金刚石表面镀覆金属层薄膜制备的技术领域。本发明通过低温压力镀覆和高温热处理工艺所得含铬的碳化物薄膜连续性和均匀性较好，形状规则且薄膜厚度可控，改善了金刚石粘结性和高温抗腐蚀能力。制成的刀具在切割石材时寿命和效率得到大幅提高，降低了消耗和损失。其制备方法简单，成本低廉，易于实现大规模生产。

技术领域

本发明属于金刚石表面镀覆金属层薄膜制备技术领域，尤其涉及一种金刚石表面水热镀铬金属层制备工艺。

背景技术

金刚石本身除了具有硬度高、抗腐蚀、耐磨性等优异性能，还具有优良的光学、声学、热学和电学等性质。半个多世纪以来，人造金刚石的生产及应用技术的发展突飞猛进，其在数量、质量和许多性能上已达到甚至超过了天然金刚石。金刚石及其制品不仅广泛应用于机械、冶金、建工、交通、国防等各个工业技术领域，更已拓展到高性能的耐热件、耐蚀件、导热元件和芯片等重要领域。以金刚石等为主的超硬材料已成为现代制造技术的基本手段，对国有支柱产业和国防工业起着支撑和促进作用。据国外权威人士统计，世界金刚石的需求正以平均8%左右的年增长速度递增，目前工业金刚石50%左右用于制造石材加工工具，其中主要是石材锯片。可以预见，当金刚石产品普及后，人类的物质文明就会更上一层楼，乃至达到巅峰，进入永恒的金刚石时代。

目前，金刚石锯切和钻机工具多用粉末冶金法生产，烧结温度一般高达900 ℃。在常温常压下，金刚石为亚稳定态，其耐热性不高。当金刚石在空气中加热到700 ℃左右时，开始出现氧化失重现象，抗压能力下降；在1000℃以上金刚石会发生石墨化现象。这些现象会降低工具的加工效率，影响使用效果。另外，金刚石与大部分金属、陶瓷等材料界面之间性能差异较大，界面能较高，使得金刚石与金属或合金间难以有效地润湿，界面结合力较差，即金刚石磨粒与结合剂之间一般是机械镶嵌，在磨削力的作用下极易脱落，降低了磨具的使用寿命。据估算孕镶式金刚石工具中金刚石利用率仅为60%左右，每年有数百万克拉的昂贵金刚石脱落而流失于废屑之中，损失以千万元计。因此，如何提高金刚石的抗氧化性、防止金刚石在高温下的石墨化、降低金刚石使用时的脱落，成为提高金刚石工具使用寿命的关键因素。目前，国内外一般采用在金刚石表面镀覆金属的方法来降低金刚石与基体的界面能，并通过该层金属与结合剂形成稳定的化学冶金结合。

早在20世纪80年代初，国内赴英国、爱尔兰、原西德的考察者就已经发现上述国家使用的经表面镀覆的金刚石占结合剂金刚石工具生产用量的80%以上，而使用经表面镀覆金属化处理的金刚石提高工具的使用寿命在30%~40%，并可降低20%的金刚石浓度。美国、日本等国较重视使用经表面镀覆金属化处理的金刚石磨料，并已占相当比例。70年代国内也已经开始了金刚石表面镀覆金属的研究，如在金刚石表面包覆Cu、Ni、Co、Fe、Ni-Mo、Ni-Zr、Fe-Co、Co-W等金属和合金。但金刚石表面镀覆金属还存在着问题，如镀层与金刚石表面结合微弱，会在一般的机械摩擦中剥落；在高温熔焊或粉末冶金烧结过程中，裸露的金刚石表面仍不具有可焊性。

金刚石与金属结合剂冶金结合的前提条件是必须使金刚石表面外延生长一均匀、连续、轻薄的碳化物层，此过程需一定时间、温度，且不能有石墨化元素存在。结合剂中直接加入碳化物形成元素进行真空液相烧结不仅工艺条件苛刻，其性能也较差，不适合大规模工业化生产。因此在烧结之前，首先制造表面金属化的金刚石即表面镀覆Ti、V、Cr、Mo、Nb、W及合金的金刚石是非常必要的。在镀覆过程中，一定的真空、温度、时间条件下使金刚石表面外延生长一层可控厚度的碳化物层，使镀层与金刚石镀后即产生化学键合。作为中间产品，带有镀层的金刚石与结合剂在短时间热压烧结后即可顺利实现金属镀层与结合剂胎体之间的钎焊结合，也就实现了金刚石与结合剂之间的冶金结合。金刚石表面镀覆金属化就是金刚石晶体表面碳原子通过界面化学作用形成具有冶金结合、金属特性的表面层，它与金刚石之间有强大的结合力而不为一般机械摩擦所剥落。碳化物一方面与金刚石表面存在较好的化学键合，另一方面又具有防护作用，隔绝与氧的直接接触，防止金刚石高温下被氧化，而且外观平整光滑、较为美观。