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金刚石磨料表面镀钛层的制备、结构、性能及应用

王艳辉  
【摘要】: 金刚石表面金属化可以实现金刚石与许多材料之间的结合,在金刚石表面镀覆金属钛是使金刚石表面金属化的重要手段。传统的物理和化学气相沉积难以对颗粒状的金刚石磨料进行大批量镀覆。本文采用将金刚石颗粒、三氯化钛和氢化钛粉末混合物在真空环境下加热的方法,在金刚石表面形成均匀的镀钛(碳化钛)层,我们称这种方法为“真空微蒸发镀覆”。试验表明,该方法由于在每个金刚石颗粒周围形成了均一的气相环境,特别适合于颗粒状的金刚石磨料的大批量工业化生产。通过热力学分析,研究了该反应体系的三氯化钛平衡蒸气压、氢化钛分解温度和碳化钛层形成温度与环境温度及压力(真空度)的关系。结果表明:在真空微蒸发镀覆温度范围(923~1073K)内,TiCl_3(s)的饱和蒸气压远高于反应室的压力(1~10Pa),可保证TiCl_3以气体形式参与反应;氢化钛分解反应和碳化钛形成反应的吉布斯函数变化小于零,上述反应正向进行,即在真空微蒸发镀覆过程中可形成碳化钛镀层,获得理想的镀层结构。根据镀层厚度与镀覆温度和时间的关系,得出碳化钛形成的激活能为94±7kJ/mol。通过AFM、SEM和TEM等分析方法,研究了镀钛(碳化钛)层的结构特征;采用X射线衍射分析了973~1123 K范围镀覆的镀钛金刚石的物相变化和碳化钛点阵常数变化规律。发现随着镀覆温度提高,镀层中碳化钛的含量增加,碳化钛的平均C/Ti原子比提高,并逐渐趋近符合化学计量。用X射线小角掠射分析了镀层深度层次上的物相变化规律,镀层由内向外,生成的TiC的C/Ti原子比逐渐减小,形成金刚石-TiC-Ti的结构。在大单晶金刚石(100)表面形成的TiC具有(100)的择优取向。TEM直接观察了镀层TiC在纳米金刚石的孪晶及位错上的生长。测定真空微蒸发镀钛前后金刚石的强度及热稳定性,结果表明金刚石在973~1023K温度下镀钛后,其抗压载荷均有不同幅度的提高,增幅最大可达20%,磁性包裹体含量增加,抗压载荷增幅减小。镀覆温度高于1073K,镀钛后金刚石的抗压载荷有不同程度的下降。镀钛层与金刚石之间的结合强度随镀覆温度提高而增加,经1023~1073K、1h真空微蒸发镀钛后,界面结合强度高于150MPa。镀覆温度高于1073K,界面结合强度降低,因此真空微蒸发镀覆最佳镀覆温度选择在1023~1073K。由于镀层的保护作用,镀钛金刚石的热稳定性提高,在空气中的起始氧化温度为1230K,明显高于未镀覆金刚石。对热压烧结的金属结合剂金刚石烧结体的抗折强度试验结果表明,镀钛比未镀 一 燕山大学工学博士学位论文 一 覆金刚石烧结体的抗折强度明显提高,根据复合材料抗折强度公式计算得出镀钛层 使金刚石与结合剂之间的结合强度提高达 149 MPa。镀覆温度为 1023叶 K时, 镀层/结合剂界面结合强度较高。 镀钛金刚石工具工业应用结果表明,镀钛使金刚石锯片工作面上脱落的金刚石 减少,完好和微破碎形态的金刚石增加;金刚石颗粒的出露高度增加;金刚石存留 强度增加;工具寿命提高。采用镀钛金刚石可以应用价格低廉的铁基结合剂;减少 金刚石含量;采用细粒度金刚石,使得工具制造成本大幅度下降。


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