金剛石及其工具的合理應用
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)，有史以來就被視為物質(zhì)硬度的上限，作為衡量物質(zhì)硬度等級的比較標準。金剛石又是導熱率最高的物質(zhì)，室溫下的導熱率是銅的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性能，無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體或準導體,此類金剛石做成的電鍍產(chǎn)品,由于在電鍍液電場驅(qū)動下金剛石加速漂移，造成堆積效應,致使產(chǎn)品出現(xiàn)長刺或長瘤（起球）等負面效果。
為了提高金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合力，全世界的相關(guān)科技工作者長期以來一直千方百計地采用各種手段（如電鍍、蒸發(fā)鍍、熱噴鍍、化學鍍、離子鍍、濺射鍍膜等）進行探索，雖然取得了一定的效果，但始終不盡人意。
針對上述問題,科研工作者在生產(chǎn)實踐中進行了調(diào)查研究，經(jīng)過十多年來的不斷實驗與探索,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金剛石進行表面攻性的技術(shù)，取得了突破性的進展。
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相類比，如果二者能很好地相互浸潤，結(jié)合力就會大。從熱力學的角度看，粘結(jié)力問題屬于表面能或介面能問題。表面能很低的材料容易和表面能較高的材料相浸潤；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，結(jié)合力小是肯定無疑的。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。
前人經(jīng)過不斷探索，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,加熱溫度太高時金剛石又容易氧化和石墨化，很難實現(xiàn)化學鍵合和冶金結(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聯(lián)的過程中耗散能量，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，載能的氮離子又會通過反沖注入將鍍膜物質(zhì)混合到金剛石表面層內(nèi)，造成無明顯分界面的漸變區(qū)。由于高能離子的動能轉(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。用改性金剛石制造的工具，在使用過程中很少見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)報道過關(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，自然也會產(chǎn)生明顯的銳化效果。因為金剛石是多面體，進行表面改性時各個面與入射離子的夾角是隨機的，那些接近掠入射的表面濺射率會更大，光整效應會更明顯。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
吉林大學建設(shè)工程學院的劉寶昌等人曾經(jīng)報道過有關(guān)試驗的效果。他們用鈦、氮離子
