梁寶巖，韓丹輝，張旺璽，王艷芝，張宗超，金晨曦，梁赟浩

（1．中原工學(xué)院，材料與化工學(xué)院，鄭州 451191；2．金剛石技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 451191；3．中原工學(xué)院，科技處，鄭州 451191；4．鄭州恒之銳磨具科技有限公司，鄭州 450006）

金剛石具有高硬度、高耐磨性，此外還具有高導(dǎo)熱性和電絕緣性等一系列優(yōu)良的綜合性能，因此其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域具有非常廣泛的用途。但由于金剛石與結(jié)合劑之間粘結(jié)性極差，會(huì)導(dǎo)致磨料在工作中易與胎體分離，從而降低了金剛石工具的性能及使用壽命。因此，改善金剛石與基體的結(jié)合強(qiáng)度是提高加工效率和使用壽命的重要因素。在金剛石表面鍍覆一層涂層組織是有效的方法，目前已經(jīng)有化學(xué)鍍及電鍍［1，2］、真空物理氣相沉積［3，4］、真 空微蒸發(fā)鍍［5］、熔鹽鍍覆［6－9］等工藝在金剛石表面鍍覆金屬，并取得了良好的使用效果。

采用熔鹽法在金剛石表面鍍覆Ti等金屬，具有工藝簡(jiǎn)單、易于操作、鍍層厚度容易控制以及無(wú)需特殊設(shè)備，從而直接形成金屬碳化物等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［6、7］采用熔鹽法在金剛石表面鍍Ti。文獻(xiàn)［8］采用熔鹽法在金剛石表面鍍Cr。以上熔鹽法在金剛石表面鍍覆金屬，均為鍍覆Ti等單質(zhì)金屬元素，相應(yīng)的鍍覆元素成本較高，本文擬在Ti金屬原料中摻雜適量的Al，通過(guò)熔鹽法在金剛石或cBN等超硬材料表面鍍覆鈦鋁化合物，從而達(dá)到顯著降低原料成本的目的。

本實(shí)驗(yàn)采用熔鹽反應(yīng)法，用Ti、Al和金剛石（或cBN顆粒）為原料，以實(shí)現(xiàn)金剛石或cBN表面鍍覆含鈦鋁化合物。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料為市購(gòu)Ti粉（純度＞99．0%，平均粒度為53μm），Al粉（純度＞99．0%，平均粒度為53μm），金剛石粉或cBN（粒度為74～100μm）。把混合好的含金剛石物料與等質(zhì)量的氯化鈉和氯化鉀（二種鹽類的質(zhì)量相同）混合均勻。具體原料組成如表1所示。把原料混合粉體放入微波爐中加熱，通入氬氣進(jìn)行保護(hù)。熔鹽合成的熱處理工藝：升溫速度為100℃／min，900℃保溫2h，然后隨爐冷卻。取出熔鹽試樣后，用去離子水反復(fù)清洗試樣，以除掉試樣中的鹽類。用Rigaku Ultima IV轉(zhuǎn)靶X射線多晶衍射儀對(duì)合成的樣品進(jìn)行物相分析（采用Cukα輻射）。用Fei－Quanta250型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡并結(jié)合能譜儀研究和分析材料的顯微結(jié)構(gòu)。

表1 原料的組成．Table 1 Composition of raw materials

2 結(jié)果與分析

圖1為 （a）Ti／Al／金剛石與（b）Ti／Al／cBN 經(jīng)熔鹽熱處理后得到的XRD結(jié)果。從這兩張圖可觀察到熔鹽處理后得到的產(chǎn)物組成為金剛石／cBN、Ti、Al和Al3Ti相。兩個(gè)試樣的XRD譜圖基本相同，有所區(qū)別的是Al和Ti衍射峰強(qiáng)度略有差異。這一結(jié)果表明，原料粉體經(jīng)過(guò)反應(yīng)合成了Al3Ti相。

圖1 不同原料經(jīng)熔鹽熱處理后得到的XRD結(jié)果Fig．1 XRD of the samples by salt molten treatment from different raw materials

圖2 為Ti／Al／金剛石經(jīng)熔鹽處理后得到的試樣的顯微形貌。由圖2（a）可見(jiàn)，熔鹽產(chǎn)物由兩部分組成，一部分為Al3Ti為主相的產(chǎn)物，另一部分為金剛石。從圖2（a）中可觀察到金剛石表面比較干凈。對(duì)圖2（a）中的“A”區(qū)域放大至圖2（b），可觀察到 Al3Ti相主要為顆粒狀，大小約為1～6!m，相互之間粘連。對(duì)圖2（a）中的金剛石“B”區(qū)域放大至圖2（c），可觀察到金剛石表面形成了比較致密的涂層，對(duì)金剛石涂覆得較好。大量灰色的Al3Ti顆粒狀的組織密密麻麻地生長(zhǎng)在黑色Ti涂層（通過(guò)EDS確認(rèn)）上，這些顆粒組織比較細(xì)小，平均粒度約為0．4!m。因此可以推斷，首先在金剛石表面形成Ti涂層，然后形成Al3Ti涂層。

圖3為Ti／Al／cBN經(jīng)熔鹽處理后得到的試樣的顯微形貌。由圖3（a）可見(jiàn)，cBN表面比較光滑平整。將圖2（a）放大至圖2（b），類似圖2（c）的形貌，通過(guò)能譜確認(rèn)，黑色是Ti涂層，灰白色為Al3Ti組織。有所區(qū)別的是，Al3Ti組織的粒度較大，大小約為0．5～4!m。

圖2 Ti／Al／金剛石經(jīng)熔鹽處理后得到的產(chǎn)物的顯微形貌Fig．2 Morphology of product after salt molten treatment from Ti／Al／Diamond

圖3 Ti／Al／cBN經(jīng)熔鹽處理后得到的cBN的顯微形貌Fig．3 Morphology of CBN after salt molten treatment from Ti／Al／CBN

通過(guò)以上研究可知，經(jīng)過(guò)熔鹽處理Ti／Al／超硬材料，在超硬材料表面會(huì)復(fù)合涂層組織。從以上研究可知，首先在超硬材料上形成Ti涂層，然后形成了Al3Ti涂層。TiC或TiB2組織并沒(méi)有通過(guò)XRD與EDS確認(rèn)下來(lái)，這表明金剛石表面形成了非常少量的TiC或TiB2，超出了XRD檢測(cè)的極限；或沒(méi)有形成這兩種物相。然后，由于Al和Ti形成Al3Ti較容易，也容易發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)迅速完成，從而在Ti涂層上形成Al3Ti組織。因此在超硬材料表面主要形成的是Ti涂層以及其上的含少量的Al3Ti組織。

3 結(jié)論

通過(guò)熔鹽處理Ti／Al／超硬材料體系，可在超硬材料表面形成鈦鋁化合物涂層組織形貌。得到如下結(jié)論：

（1）Ti／Al／超硬材料經(jīng)熔鹽處理后得到的產(chǎn)物組成為金剛石／cBN、Ti、Al和Al3Ti相。

（2）對(duì)于Ti／Al／超硬材料經(jīng)體系來(lái)說(shuō)，在金剛石表面會(huì)先形成Ti涂層，然后在其表面形成Al3Ti顆粒組織。在金剛石表面上形成的Al3Ti顆粒組織平均粒度約為0．4!m，在cBN表面上Al3Ti顆粒組織粒度約為0．5～4!m。

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