超硬材料表面熔盐处理形成钛铝化合物涂层的研究

2018-05-24梁宝岩韩丹辉张旺玺王艳芝张宗超金晨曦梁赟浩

超硬材料工程 2018年2期

梁宝岩，韩丹辉，张旺玺，王艳芝，张宗超，金晨曦，梁赟浩

（1．中原工学院，材料与化工学院，郑州 451191；2．金刚石技术国家地方联合工程实验室，郑州 451191；3．中原工学院，科技处，郑州 451191；4．郑州恒之锐磨具科技有限公司，郑州 450006）

金刚石具有高硬度、高耐磨性，此外还具有高导热性和电绝缘性等一系列优良的综合性能，因此其在国民经济的许多领域具有非常广泛的用途。但由于金刚石与结合剂之间粘结性极差，会导致磨料在工作中易与胎体分离，从而降低了金刚石工具的性能及使用寿命。因此，改善金刚石与基体的结合强度是提高加工效率和使用寿命的重要因素。在金刚石表面镀覆一层涂层组织是有效的方法，目前已经有化学镀及电镀［1，2］、真空物理气相沉积［3，4］、真空微蒸发镀［5］、熔盐镀覆［6－9］等工艺在金刚石表面镀覆金属，并取得了良好的使用效果。

采用熔盐法在金刚石表面镀覆Ti等金属，具有工艺简单、易于操作、镀层厚度容易控制以及无需特殊设备，从而直接形成金属碳化物等优点。文献［6、7］采用熔盐法在金刚石表面镀Ti。文献［8］采用熔盐法在金刚石表面镀Cr。以上熔盐法在金刚石表面镀覆金属，均为镀覆Ti等单质金属元素，相应的镀覆元素成本较高，本文拟在Ti金属原料中掺杂适量的Al，通过熔盐法在金刚石或cBN等超硬材料表面镀覆钛铝化合物，从而达到显著降低原料成本的目的。

本实验采用熔盐反应法，用Ti、Al和金刚石（或cBN颗粒）为原料，以实现金刚石或cBN表面镀覆含钛铝化合物。

1 实验

实验原料为市购Ti粉（纯度＞99．0%，平均粒度为53μm），Al粉（纯度＞99．0%，平均粒度为53μm），金刚石粉或cBN（粒度为74～100μm）。把混合好的含金刚石物料与等质量的氯化钠和氯化钾（二种盐类的质量相同）混合均匀。具体原料组成如表1所示。把原料混合粉体放入微波炉中加热，通入氩气进行保护。熔盐合成的热处理工艺：升温速度为100℃／min，900℃保温2h，然后随炉冷却。取出熔盐试样后，用去离子水反复清洗试样，以除掉试样中的盐类。用Rigaku Ultima IV转靶X射线多晶衍射仪对合成的样品进行物相分析（采用Cukα辐射）。用Fei－Quanta250型场发射扫描电子显微镜并结合能谱仪研究和分析材料的显微结构。

表1 原料的组成．Table 1 Composition of raw materials

2 结果与分析

图1为（a）Ti／Al／金刚石与（b）Ti／Al／cBN 经熔盐热处理后得到的XRD结果。从这两张图可观察到熔盐处理后得到的产物组成为金刚石／cBN、Ti、Al和Al3Ti相。两个试样的XRD谱图基本相同，有所区别的是Al和Ti衍射峰强度略有差异。这一结果表明，原料粉体经过反应合成了Al3Ti相。

图1 不同原料经熔盐热处理后得到的XRD结果Fig．1 XRD of the samples by salt molten treatment from different raw materials

图2 为Ti／Al／金刚石经熔盐处理后得到的试样的显微形貌。由图2（a）可见，熔盐产物由两部分组成，一部分为Al3Ti为主相的产物，另一部分为金刚石。从图2（a）中可观察到金刚石表面比较干净。对图2（a）中的“A”区域放大至图2（b），可观察到 Al3Ti相主要为颗粒状，大小约为1～6!m，相互之间粘连。对图2（a）中的金刚石“B”区域放大至图2（c），可观察到金刚石表面形成了比较致密的涂层，对金刚石涂覆得较好。大量灰色的Al3Ti颗粒状的组织密密麻麻地生长在黑色Ti涂层（通过EDS确认）上，这些颗粒组织比较细小，平均粒度约为0．4!m。因此可以推断，首先在金刚石表面形成Ti涂层，然后形成Al3Ti涂层。

图3为Ti／Al／cBN经熔盐处理后得到的试样的显微形貌。由图3（a）可见，cBN表面比较光滑平整。将图2（a）放大至图2（b），类似图2（c）的形貌，通过能谱确认，黑色是Ti涂层，灰白色为Al3Ti组织。有所区别的是，Al3Ti组织的粒度较大，大小约为0．5～4!m。

图2 Ti／Al／金刚石经熔盐处理后得到的产物的显微形貌Fig．2 Morphology of product after salt molten treatment from Ti／Al／Diamond

图3 Ti／Al／cBN经熔盐处理后得到的cBN的显微形貌Fig．3 Morphology of CBN after salt molten treatment from Ti／Al／CBN

通过以上研究可知，经过熔盐处理Ti／Al／超硬材料，在超硬材料表面会复合涂层组织。从以上研究可知，首先在超硬材料上形成Ti涂层，然后形成了Al3Ti涂层。TiC或TiB2组织并没有通过XRD与EDS确认下来，这表明金刚石表面形成了非常少量的TiC或TiB2，超出了XRD检测的极限；或没有形成这两种物相。然后，由于Al和Ti形成Al3Ti较容易，也容易发生自蔓延反应，反应迅速完成，从而在Ti涂层上形成Al3Ti组织。因此在超硬材料表面主要形成的是Ti涂层以及其上的含少量的Al3Ti组织。