金剛石及其工具的合理應(yīng)用
2008-01-31 15:13:51
硬質(zhì)合金(碳化鎢又稱鎢鋼)被喻為工業(yè)的牙齒,而比它更硬的還有金剛石，金剛石是迄今所知自然界最硬的物質(zhì)，有史以來(lái)就被視為物質(zhì)硬度的上限，作為衡量物質(zhì)硬度等級(jí)的比較標(biāo)準(zhǔn)。金剛石又是導(dǎo)熱率最高的物質(zhì)，室溫下的導(dǎo)熱率是銅的5倍，是最好的熱沉材料。它還具有光、電、聲等一系列極佳的物理化學(xué)性能，無(wú)論是用在切削還是研磨,其用途都非常廣泛而重要。
但是金剛石的表面能很高，與金屬的浸潤(rùn)性極小，粘結(jié)力很弱，往往可以在生產(chǎn)使用中的金剛石工具上觀察到許多金剛石脫落后的凹坑，其面積甚至占全部切削面的一半左右，并且凹坑的內(nèi)壁通常都是很平滑的。所以常用的金剛石工具制品，金剛石本身磨損不到1/3就幾乎脫落殆盡，因而未能實(shí)現(xiàn)物盡其用的目的。金剛石在高于600oC的氣氛中容易氧化和石墨化,還不能用于黑色金屬的加工。工業(yè)應(yīng)用的金剛石大都是人造的， 生產(chǎn)廠家故意摻入了稀土等金屬元素，使金剛石變成了半導(dǎo)體或準(zhǔn)導(dǎo)體,此類金剛石做成的電鍍產(chǎn)品,由于在電鍍液電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下金剛石加速漂移，造成堆積效應(yīng),致使產(chǎn)品出現(xiàn)長(zhǎng)刺或長(zhǎng)瘤（起球）等負(fù)面效果。
為了提高金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合力，全世界的相關(guān)科技工作者長(zhǎng)期以來(lái)一直千方百計(jì)地采用各種手段（如電鍍、蒸發(fā)鍍、熱噴鍍、化學(xué)鍍、離子鍍、濺射鍍膜等）進(jìn)行探索，雖然取得了一定的效果，但始終不盡人意。
針對(duì)上述問(wèn)題,科研工作者在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行了調(diào)查研究，經(jīng)過(guò)十多年來(lái)的不斷實(shí)驗(yàn)與探索,找到了利用離子注入、離子束混合、離子束輔助鍍膜和等離子體滲透等工藝對(duì)金剛石進(jìn)行表面攻性的技術(shù)，取得了突破性的進(jìn)展。
首先是大幅提高其結(jié)合力
薄膜在基體上的附著可以和液體在固體表面的浸潤(rùn)相類比，如果二者能很好地相互浸潤(rùn)，結(jié)合力就會(huì)大。從熱力學(xué)的角度看，粘結(jié)力問(wèn)題屬于表面能或介面能問(wèn)題。表面能很低的材料容易和表面能較高的材料相浸潤(rùn)；反之亦然。金剛石的表面能很高，而金屬的表面能也較高，它們自然難以浸潤(rùn)，結(jié)合力小是肯定無(wú)疑的。關(guān)鍵是要設(shè)法使金剛石與結(jié)合劑系統(tǒng)的界面自由能變得最小。但是，材料表面的自由能是由其固有特性決定的，要改變其自由能就必須先改變其表面成分、結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，最常用的方法是提高基體的活性，現(xiàn)代三束（激光束、電子束和離子束）技術(shù)中唯一能夠同時(shí)改變固體表面成分、結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的是離子束技術(shù)，這里就是要發(fā)揮這種優(yōu)勢(shì)。
前人經(jīng)過(guò)不斷探索，選擇在金剛石表面鍍Ti、Co或Cr等容易與金剛石表面的C相化合的元素，思路是完全正確的，只是由于常規(guī)鍍膜技術(shù)能量較低，通常只有0.04ev～0.4ev,加熱溫度太高時(shí)金剛石又容易氧化和石墨化，很難實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵合和冶金結(jié)合，用磁控濺射或離子鍍技術(shù)能量也只有幾ev到幾百ev，即使一部分鍵合成功，也由于接觸面的突變而容易脫落。
離子束技術(shù)卻是與眾不同，其能量通常是幾百ev到幾萬(wàn)ev，甚至更高。用幾百ev到幾千ev的Ar+濺射清洗金剛石表面既迅速又徹底；用幾萬(wàn)ev的N+ 2 注入到金剛石中，可以得到上百nm厚，永不脫落的近高斯分布的電活性層；氮離子在與金剛石原子碰撞級(jí)聯(lián)的過(guò)程中耗散能量，最終將剩余的能量全部沉積在襯底的微區(qū)中，造成所謂的“熱峰”和“移位峰”。這樣注入的氮就有可能與金剛石中的碳形成超硬的C3N4。離子束混合或離子束輔助鍍膜時(shí)，載能的氮離子又會(huì)通過(guò)反沖注入將鍍膜物質(zhì)混合到金剛石表面層內(nèi)，造成無(wú)明顯分界面的漸變區(qū)。由于高能離子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能是在10-11S瞬間完成的，所以微區(qū)溫度將迅速升高上千oC,從而引起結(jié)構(gòu)相變，容易出現(xiàn)納米晶β- C3N4、TiN2、TiC之類。鍍膜工藝通過(guò)控制輔助氣體的種類和比例，可以方便地使金剛石最外層既有TiN、TiC、，又有Ti、N、C等元素，保證改性金剛石與工具基體結(jié)合劑能很好地浸潤(rùn)。用改性金剛石制造的工具，在使用過(guò)程中很少見(jiàn)到金剛石脫落后的凹坑，石材切割面積可增加1～２倍。
其次是提高其自銳性
I.Miyamoto 等人曾經(jīng)報(bào)道過(guò)關(guān)于用低能離子束銳化金剛石頂角的文章，他們用1Kev、2mA/cm2的A+ r濺射金剛石晶體2h，使其頂角從100o左右變?yōu)?0o左右。日本已利用這種方法制作掃描隧道顯微鏡（STM）用的鉆石探針，使鉆石頂端5μm左右的平弧變?yōu)?0nm以內(nèi)的針尖。用Ar+濺射，用N2+注入混合金剛石表面，自然也會(huì)產(chǎn)生明顯的銳化效果。因?yàn)榻饎偸嵌嗝骟w，進(jìn)行表面改性時(shí)各個(gè)面與入射離子的夾角是隨機(jī)的，那些接近掠入射的表面濺射率會(huì)更大，光整效應(yīng)會(huì)更明顯。所以，改性金剛石工具鋒利度有所改善，切削效率更高了。
再就是提高其熱穩(wěn)定性
吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院的劉寶昌等人曾經(jīng)報(bào)道過(guò)有關(guān)試驗(yàn)的效果。他們用鈦、氮離子
