Cr鍍層對金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料中金剛石氧化反應的抑制研究＊

張向紅，王艷輝，臧建兵，張金輝

（1.河北建材職業技術學院,河北 秦皇島 066004）

（2.燕山大學 材料學院,亞穩材料制備科學與技術國家重點實驗室,河北 秦皇島 066004）

（3.唐山學院 環境與化學工程系,河北 唐山063000）

陶瓷結合劑具有耐高溫性能好、氣孔多的優點。以其制備的金剛石工具，在磨削時排屑好，散熱快，不易堵塞，不易燒傷工件，自銳性和形狀保持性好，修整間隔時間長，加工出的工件精度高[1-2]。因此，陶瓷結合劑金剛石工具被認為是高速、高效、高精、低成本、低污染的高性能工具，是工具界競相研究開發的熱點之一。

但陶瓷結合劑金剛石工具需要在高溫下燒制。在高溫有氧的環境下，金剛石會發生氧化腐蝕[3-5]，降低金剛石性能，并對工具組織結構產生不利影響，從而影響其使用性能。因此，金剛石的氧化問題是陶瓷結合劑金剛石工具制造必須解決的一個關鍵性問題。針對金剛石的氧化問題，有兩種解決思路：（1）在金剛石表面鍍覆一層障礙保護層[6-7]，通過阻隔金剛石顆粒與氧化介質的直接接觸來抑制金剛石的氧化反應；（2）在陶瓷結合劑基體中添加活性吸氧元素[8-11]，以更高的親和力奪取氣氛中的氧元素，從而保護了金剛石不被氧化。

本文中，以鋁硼硅玻璃和鍍層厚度不同的鍍鉻金剛石為原料，制備待測試樣。檢測試樣的體積膨脹率、抗折強度和斷面形貌，金剛石的單顆粒抗壓強度和金剛石-結合劑界面的組成，研究Cr 鍍層對金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料中金剛石氧化的抑制規律。

1 試驗過程

1.1 試驗原料

所用原料為鋁硼硅玻璃結合劑和粒度號為140/170的鍍鉻金剛石。鋁硼硅玻璃的化學組成見表1，鍍鉻金剛石的鍍覆條件如表2。

表1 鋁硼硅玻璃的化學成分Tab.1 Chemical compositions of alumino-borosilicate glass

表2 不同鍍層厚度的鍍Cr 金剛石Tab.2 Cr-coated diamond with different coating thicknesses

1.2 金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料的制備

將鋁硼硅玻璃粉與金剛石按質量比3∶1 混合均勻，裝入石墨試模。以90 MPa 壓力保壓3 min，壓制成40.0 mm×8.0 mm×2.5 mm 的長方體試樣。干燥后在大氣環境下850 °C 保溫燒結120 min，然后隨爐冷卻，產物用于分析鍍層對金剛石氧化的抑制作用，以及燒結后金剛石的單顆?？箟簭姸戎岛捅砻嫘蚊?、復合材料界面處的物相組成。或將部分干燥后的長方體試樣在850 ℃保溫燒結300 min，然后隨爐冷卻，產物用于分析復合材料的機械性能。

1.3 金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料的性能表征

燒結后試樣的體積膨脹率ΔV的計算見式（1）：

式中的Vi和Vf分別為試樣燒結前后的體積，其中燒結后體積Vf可通過阿基米德排水原理獲得。

燒結試樣的抗折強度采用三點彎曲原理，利用DKZ-5000 型抗折強度測定儀進行測定。用KYKY2800掃描電鏡觀察試樣的斷面形貌。

利用HF 和H2SO4的混合酸將復合材料中的金剛石顆粒分離出來，用酒精清洗，烘干。測試其單顆?？箟簭姸?。并用掃描電鏡觀察金剛石顆粒的表面形貌；同時用電鏡的線掃描對鍍鉻金剛石與基體的界面進行分析。

2 試驗結果及討論

在大氣環境下850 ℃保溫燒結120 min 后，不同質量增加的鍍Cr 金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料的照片如圖1所示，對應的體積膨脹率和抗折強度值見圖2。未鍍覆金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料（圖1a）體積膨脹嚴重，斷面分布有大量不規則的氣孔，復合材料抗折強度低；相對而言，鍍Cr 金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料結構致密，抗折強度提高，表明Cr 鍍層對金剛石的氧化起到了一定的抑制作用。其中，鍍覆質量增加20%的Cr 鍍層抑制效果最好，復合材料的體積膨脹率和抗折強度分別為-11.25%和53.8 MPa。

圖1 燒結后復合材料的照片Fig.1 Photos of sintered composites

圖2 不同復合材料的抗折強度與體積膨脹率Fig.2 Bending strength and volume expansion rate of different composites

圖3為不同質量增加的鍍Cr 金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料斷面的SEM 照片。未鍍覆金剛石表面有腐蝕溝槽（圖3a），說明在燒結過程中，金剛石顆粒表面受到高溫氧化腐蝕；鍍Cr 金剛石表面覆蓋有均勻的致密Cr 鍍層，其中質量增加10%和20%的Cr 鍍層沒有裂紋（圖3b、圖3c），質量增加30%和65%的Cr 鍍層表面有龜裂和鍍層成片剝落（圖3d、圖3e），失去了對出露金剛石表面的保護作用。

圖3 不同復合材料的斷面SEM 照片Fig.3 SEM images of different composites

在850 ℃保溫燒結300 min 后，不同復合材料的抗折強度和體積膨脹率如圖4所示。為便于比較，保溫燒結120 min 的復合材料的強度和體積膨脹率值用實心圖標標記。當繼續延長保溫時間至300 min 時，20%鍍層質量增加的鍍Cr 金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料的強度和體積膨脹率的變化幅度最小，而其他鍍層增量的則變化幅度較大。原因在于10%Cr 鍍層太?。s0.77 μm），在高溫環境下其不能有效保護金剛石基體，而30%和65%增量的Cr 鍍層有龜裂和剝落現象，使金剛石表面暴露進而被氧化，復合材料體積膨脹，抗折強度下降。故20%增量的Cr 鍍層對金剛石的保護最有效，對應的金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料的體積膨脹率最小和抗折強度最大。此時鍍層厚度約為1.58 μm。

圖4 不同復合材料的抗折強度和體積膨脹率Fig.4 Bending strength and volume expansion rate of different composites

燒結前后金剛石的單顆?？箟簭姸戎岛蚐EM 圖片分別見表3和圖5。由圖5可見：未鍍覆金剛石在燒結過程中受到比較嚴重的氧化腐蝕（圖5a），而20%增量的鍍Cr 金剛石幾乎完好（圖5b）。表3數據表明：金剛石表面鍍覆后，表面缺陷得到彌補，單顆?？箟簭姸刃》岣?；未鍍覆金剛石經850 ℃保溫燒結120 min 后抗壓強度值大幅度下降，受鍍層保護的鍍Cr 金剛石燒結后強度變化較小，進一步說明在燒結過程中，20%增量的Cr 鍍層對金剛石顆粒起到了很好的保護作用。

表3 金剛石燒結前后的單顆粒抗壓強度值Tab.3 Compressive strength of single diamond grit used in the composites

圖5 金剛石顆粒的SEM 照片Fig.5 SEM images of diamond grits separated from the composites with

圖6為20% 鍍層增量鍍鉻金剛石/鋁硼硅玻璃界面的線成分分析。由圖6可見：金剛石與鋁硼硅玻璃基體存在寬約5 μm 過渡區域，在該過渡區，從玻璃基體至金剛石，鋁硼硅玻璃基體主要成分Si、Al 和O 逐漸減少，表明玻璃熔體沿著金剛石表面產生蔓延，說明鍍鉻金剛石與玻璃基體之間仍具有較好的浸潤性。值得注意的是中，在鍍鉻金剛石表面存在一定的O 元素，說明在復合材料燒結過程中Cr 鍍層能吸收氧發生氧化反應，故Cr 鍍層對金剛石能起到消耗氧和隔絕氧的雙重保護作用，進而有效抑制金剛石的氧化。

圖6 Cr 鍍層與金剛石界面處的線掃描分析Fig.6 Linear scanning analysis of interface at Cr-coated diamond/vitrified bond composites

3 結論

Cr 鍍層對金剛石具有消耗氧和隔絕氧的雙重保護作用，能有效抑制金剛石/鋁硼硅玻璃復合材料中金剛石的氧化。鍍層太薄時，不能在高溫燒結過程中持續有效地保護金剛石；鍍層太厚時，則會由于鍍層和金剛石熱膨脹系數的不匹配產生裂紋進而剝落，從而失去繼續保護金剛石的作用。對于所選擇的粒度號為140/170金剛石，最佳鍍層厚度約為1.58 μm。