SiC涂層對金剛石刀頭性能的影響

尹邦躍，張翠芳，董小雷，周新海，楊永波

（1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.河北小蜜峰工具集團有限公司，河北 石家莊 050800）

金剛石工具中存在的把持力不足、金剛石脫落及氧化和石墨化等問題，嚴重影響了金剛石工具的使用壽命和切割效率。金剛石表面鍍覆Ti、Cr、W、Mo等金屬涂層是解決這些問題的有效方法［1］。這些金屬鍍層可與金剛石形成穩定的金屬碳化物，改進基體對金剛石的化學包鑲能力［1，2］。但是，這種金屬鍍覆技術只能適用于低、中Fe含量基體和低溫燒結工藝；當金剛石刀頭基體中的Fe含量超過60%或進行1000℃以上高溫燒結時，金剛石易被Fe侵蝕而發生氧化和石墨化，現有的鍍Ti等技術不足以保護金剛石［3-5］。在干法無心研磨 UO2和 MOX陶瓷燃料芯塊過程中，產生的高溫會降低金剛石砂輪的使用壽命。

2005年，美國金剛石創新公司推出SiC鍍覆金剛石新技術，發現鍍Ti金剛石的氧化溫度為780℃，而鍍SiC金剛石的氧化溫度為980℃，甚至SiC涂層對金剛石的保護作用在1100℃高溫下仍然有效，因此SiC鍍覆金剛石可適用于高溫燒結；而且，SiC涂層對Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Mn等有良好的潤濕性，能提高金剛石的把持力，可改善在不同使用條件下的性能和壽命；在切割鋼筋混凝土的試驗中，鍍覆SiC金剛石刀頭的使用壽命比普通鍍Ti金剛石刀頭使用壽命提高了14%～24% ；在鉆取石英巖的試驗中，鍍覆SiC金剛石的鉆頭鉆進效率比未鍍金剛石的鉆頭提高一倍；此外，由于可提高基體中的Fe含量，并可選用低級別的金剛石，這也使得制造金剛石刀具的材料成本降低［4-6］。

本實驗探索金剛石的SiC涂層制備技術，并以機械合金化高Fe含量、Fe基合金粉末為基體，采用普通熱壓燒結工藝制備金剛石刀頭樣品，初步研究SiC涂層對鐵基金剛石刀頭的硬度和抗彎強度的影響。

1 實驗方法

實驗選用45／50＃ 金剛石和鍍Ti金剛石顆粒，分別以金剛石＋Si＋I2混合粉末于1000℃～1200℃真空固相反應（工藝A）及金剛石＋ 聚碳硅烷（PCS）溶液于1000℃～1200℃真空反應（工藝B）兩種不同工藝制備SiC涂層。反應結束后，對鍍覆金剛石進行過100目篩。

以Fe－Cu－Ni－X體系為金剛石刀頭基體的基礎配方（Fe含量不低于70wt%，X為少量 W、Mo、Ti、C等其它元素），并研究添加少量Zn、Sn、B4C對刀頭燒結工藝、硬度和抗彎強度的影響。參考王秦生等SiC磨料在金剛石刀具基體中的應用，以改變基體的熱膨脹系數和耐磨性［7］的研究。本實驗采用高能球磨對各元素粉末進行機械合金化，球磨罐內充高純氬氣保護，磨球為直徑5mm的不銹鋼球。球磨結束后過200目篩，測得合金粉末的中位粒度為15μm。

將球磨好的Fe基合金粉末與20vol% 鍍覆SiC金剛石顆粒進行均勻混合，稱重后裝入石墨模具。在TLZK2001型熱壓燒結爐內燒結致密，燒結工藝完全與實際生產相同，燒結溫度為920℃～930℃，空氣氣氛，升溫和保溫累計時間約為9min，脫模后即得到尺寸為（40×10×3）mm的長條形刀頭樣品。

用WCT－2C型差熱分析（DTA）儀測試金剛石與其它混合粉末的反應溫度。用DMAX－RB型X射線衍射（XRD）儀分析鍍覆金剛石的相結構。將刀頭樣品表面用金相砂紙研磨后，在HR－150A型洛氏硬度計上測定刀頭的硬度HRB，計算5個測定數據的平均值。按YB／T5349－2006標準，在力學試驗機上測定刀頭樣品的三點抗彎強度，跨距為30mm，計算5個測定數據的平均值。用ZEISS EVO18型掃描電鏡（SEM）觀察鍍覆金剛石的表面微觀形貌，并觀察抗彎強度試驗斷口的微觀斷裂特征。

2 結果和討論

2.1 SiC涂層工藝

從金剛石－Si二元相圖（圖1所示）計算結果來看，Si可與金剛石發生固相反應生成β－SiC涂層，但生成溫度較高，高于1200℃。由于Si與金剛石都有非常穩定的原子鍵，原子擴散速度非常低，即使在高溫下，Si與金剛石之間的化學反應速率也很低。并且理論上金剛石與脆性的Si或SiC涂層的界面結合力較低。

圖2（a）為差熱曲線分析結果顯示，添加少量I2后，Si與金剛石的反應溫度可降低至940℃左右；這主要是由于高溫下形成SiI4氣相，促進了Si與金剛石的化學反應。從圖2（b）可見，再添加Ti和C之后，在520℃時出現一個放熱反應，可能是形成TiSi2的反應。

圖1 金剛石－Si二元相圖Fig.1 Binary phase diagram of diamond－Si

圖2 混合物的差熱（DTA）分析曲線Fig.2 DTA curve of mixture

圖3是含不同涂層金剛石顆粒的XRD相結構圖。可見，在鍍Ti金剛石顆粒表面并未探測到Ti或TiC等第二相，也許可能是由于涂層中Ti含量很低、未能探測到的原因。在圖4（a）中可見鍍Ti金剛石表面比較光滑，圖5（a）的能譜分析結果顯示，在鍍Ti金剛石顆粒表面可探測到少量元素Ti的存在。

圖3 含涂層金剛石顆粒的XRD相結構圖Fig.3 XRD graph of diamond grains with coating

圖3（b）和（c）表明，工藝A和B制備的金剛石顆粒表面均存在少量的β－SiC顆粒。在圖4（b）顯示含SiC涂層的金剛石顆粒表面SEM形貌也比鍍Ti金剛石表面要粗糙，而且金剛石的六角形棱角并未被腐蝕破壞。圖5（b）能譜分析結果顯示，在SiC涂層金剛石表面可探測到Si等元素（此外還發現一定量的Ti）。圖4（c）顯示涂層薄而均勻。

2.2 SiC涂層對金剛石刀頭硬度和抗彎強度的影響

表1列出了不同基體成分和金剛石涂層所組成的刀頭的硬度和抗彎強度測定數據。從表1可見，如果以Fe－Cu－Ni－X（16＃）和為Fe－Cu－Ni－XB4C（20＃）為基體，金剛石鍍Ti處理，則熱壓燒結刀頭的硬度大于 HRB116，平均抗彎強度大于840MPa。按照歐洲EN13236標準對超硬磨料磨具的安全要求，手持式切割機砂輪的抗彎強度必須高于600MPa，固定式和移動式切割機砂輪的抗彎強度必須高于450MPa。顯然，16＃ 和20＃ 刀頭的切割能力和安全性都能夠滿足設計要求，特別是在20＃ 樣品中，添加少量高熔點、高硬度的B4C粉末之后，由于彌散強化作用，硬度和強度均得到較大提高。

然而，由于基體中Fe含量不低于70%，且低熔點元素含量較低，導致刀頭燒結溫度較高。為了適當降低燒結溫度，探索在Fe－Cu－Ni－X基體中再加入2%～4% 低熔點的Zn、Sn。

測試表明，如果以Fe－Cu－Ni－X－Zn為基體，鍍Ti金剛石刀頭（23＃）的硬度和強度與Fe－Cu－Ni－X（16＃）相比均明顯降低，尤其是強度僅為367MPa，低于450MPa的最低安全許可值；用工藝A和工藝B分別制備的SiC涂層金剛石刀頭（23－1＃、23－7＃、23－8＃）的性能都進一步降低，強度為233～332MPa，同樣不能達到安全使用的要求。

圖4 含不同涂層金剛石顆粒的SEM形貌Fig.4 SEM image of diamond grains with different coating

圖5 含不同涂層金剛石顆粒表面的EDS能譜圖Fig.5 EDS spectrum diagram of diamond grain appearance with different coating

以Fe－Cu－Ni－X－Sn為基體，用工藝B制備的SiC涂層金剛石刀頭（25＃、26＃）的硬度和強度相對于Fe－Cu－Ni－X－Zn體系（23＃）都有明顯提高，尤其是強度分別為467和502MPa，已經提高到450MPa以上，但仍然大大低于Fe－Cu－Ni－X體系（16＃）的刀頭強度。

以Fe－Cu－Ni－X－Zn－B4C為基體，鍍Ti金剛石刀頭（24＃）的硬度為 HRB107.8，強度為428MPa，比Fe－Cu－Ni－X－Zn體系（23＃）有較大提高；用工藝A制備的SiC涂層金剛石刀頭（24－1＃、24－2＃）的強度分別為413和410MPa，而用工藝B制備的SiC涂層金剛石刀頭（24－7＃、24－8＃）的強度分別為375和458MPa，24－8＃ 與24＃的性能水平相似。但對比24－7＃ 和24－8＃，可見對金剛石顆粒先鍍Ti，再鍍SiC涂層，硬度和強度都有一定程度的提高。

表1 金剛石刀頭的硬度和抗彎強度數據Table 1 Data of hardness and bending strength of diamond segment

以Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C為基體，用工藝B制備的SiC涂層金剛石刀頭（27＃、28＃）的硬度為HRB114.5和HRB118，非常接近Fe－Cu－Ni－X（16＃）體系的硬度；抗彎強度分別為555和543MPa，與24－7＃ 和24－8＃ 相比提高較多。

總之，將各體系刀頭的硬度和強度進行排列，可以發現以下規律：

硬度：

Fe－Cu－Ni－X－B4C＋ 鍍 Ti金剛石（HRB120.7）＞Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C＋ 鍍Ti金剛石＋SiC涂層（HRB118）＞Fe－Cu－Ni－X＋鍍Ti金剛石（HRB116.2）＞Fe－Cu－Ni－X－Zn－B4C＋ 鍍Ti金剛石（HRB107.8）＞Fe－Cu－Ni－X－Zn＋鍍Ti金剛石（HRB101.7）。

強度：

Fe－Cu－Ni－X－B4C＋ 鍍 Ti金剛石（949MPa）＞Fe－Cu－Ni－X＋ 鍍Ti金剛石（847.5MPa）＞Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C＋ 鍍Ti金剛石＋SiC涂層（543MPa）＞Fe－Cu－Ni－X－Zn－B4C＋ 鍍Ti金剛石（428MPa）＞Fe－Cu－Ni－XZn＋鍍Ti金剛石（367MPa）。

在Fe－Cu－Ni－X基體中分別添加2%～4%低熔點的Zn和Sn，仍以鍍Ti金剛石為切割顆粒，硬度和強度都將降低，尤其以添加Zn的體系降低最多。若分別以Fe－Cu－Ni－X－Zn和Fe－Cu－Ni－X－Sn為基體，無論是添加少量B4C彌散強化相，還是改以SiC涂層金剛石為切割顆粒，刀頭強度都將降低，但其中Fe－Cu－Ni－X－Sn體系的強度相對較高，大于450MPa最低安全要求值，硬度接近Fe－Cu－Ni－X－B4C體系。

預計以Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C為基體，優化Sn的含量和熱壓燒結工藝，無論是選擇金剛石直接鍍SiC涂層還是先鍍Ti、再鍍SiC涂層，都可使刀頭獲得很高的硬度和較高的強度，硬度可能超過HRB110，抗彎強度可望超過600MPa的安全要求值。

2.3 斷口微觀組織特征

圖6 金剛石刀頭抗彎斷口的SEM微觀組織特征Fig.6 SEM image of bending fracture of diamond segment

圖7 Fe－Cu－Ni－W－Sn－B4C＋鍍Ti、鍍SiC金剛石刀頭的斷口能譜分析Fig.7 Energy spectrum analysis on fracture of Fe－Cu－Ni－W－Sn－B4C＋Ti－coated and SiC－coated diamond segment

圖6所示為金剛石刀頭抗彎試驗斷口的SEM微觀組織。由（a）、（b）可見，當基體中含有較多 W、Mo、Ti等強碳化物形成元素時，鍍Ti金剛石表面形成明顯的碳化物涂層，而且刀頭會有較高的硬度和抗彎強度；由（c）、（d）可見，當基體中含有Sn時，相對而言，鍍SiC金剛石表面的擴散反應層更加明顯，形成多孔狀的反應產物，這可能是導致強度降低的主要原因。

圖7的EDS能譜分析證明，金剛石表面附著產物的元素主要是91.14%Fe、6.17%Cu、2.69%Ti。

3 結論

（1）用金剛石＋Si＋I2混合粉末（工藝A）、或金剛石＋ 聚碳硅烷（PCS）溶液（工藝B）于1000℃～1200℃真空反應，均能在金剛石表面制備出SiC涂層；

（2）若基體含有Zn、Sn等低熔點元素，鍍SiC金剛石刀頭的強度略低于鍍Ti金剛石；添加少量B4C，可以起彌散強化的作用；對金剛石先鍍Ti、再鍍SiC，可使刀頭的硬度和強度進一步提高；

（3）由Fe－Cu－Ni－X－Sn－B4C基體＋ 鍍Ti、鍍SiC涂層金剛石組成的刀頭，其硬度為HRB118，抗彎強度為543MPa；

（4）刀頭的性能同時受到基體成分和金剛石涂層的影響，Fe－Cu－Ni－X－B4C體系和SiC涂層金剛石將是今后很有吸引力的實驗嘗試。

［1］項東，李木森，許文斌，等.鍍覆金剛石技術的研究進展［J］.超硬材料工程，2006，18（3）：44－49.

［2］呂智，鄭超.高檔金剛石工具的研究開發及應用［J］.超硬材料工程，2009，21（3）：39－44.

［3］殷聲，文濤，苗柏和，等.Si－Ti－B摻雜金剛石的燒結和顯微結構［J］.材料科學工程，1993，11（3）：41－45.

［4］姜榮超編譯.Sridhar Kompella，Michad H.Zimmerman.（Diamond Innovation INC.）.一種新的金剛石工具工業用的鍍覆系統［J］.石材，2005（1）：44－48.

［5］姜榮超，陳欣宏，魏洪濤.技術創新在金剛石制品業中的重大作用（下）［J］.超硬材料工程，2005，17（1）：51－55.

［6］Sridhar Kompella.Getting the most from superabrasive coatings［J］.Cutting Tool Engineering，2006，58（6）：1－5.

［7］王秦生，左宏森，韓培文，等.碳化硅在金剛石工具中的應用［J］.金剛石與磨料磨具工程，1998（4）：30－32.