近年來，隨著各類高性能超硬材料工具的不斷開發(fā)應(yīng)用，我們以真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)為核心，目前已經(jīng)形成了超硬磨料鍍覆金屬化系列產(chǎn)品，這些系列鍍覆產(chǎn)品分別適用于各類不同結(jié)合劑和不同制造工藝的工具。在各類高性能低成本超硬工具的制造中，發(fā)揮了重要作用。
 

剛玉涂覆的金剛石和立方氮化硼是我們研制開發(fā)的具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品，采用硬脆的剛玉或碳化硅作為涂層，涂層凸凹不平，呈“刺狀”，與金剛石、立方氮化硼牢固結(jié)合。經(jīng)過工業(yè)化應(yīng)用表明，這種涂覆產(chǎn)品同時提高了樹脂砂輪的壽命和加工效率，是樹脂工具升級換代的新產(chǎn)品。

本文介紹了各類鍍覆產(chǎn)品的技術(shù)特征和應(yīng)用效果。

我們完成的國家重點(diǎn)科技攻關(guān)成果：“超硬材料真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)及裝備”，其最重要的技術(shù)進(jìn)展在于：鍍覆溫度低至650℃，與原始真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)的780℃相比，降低了100℃以上，現(xiàn)在可以根據(jù)需要 在650-780℃任選溫度實(shí)現(xiàn)鍍覆，這一范圍的鍍覆溫度是區(qū)別于其它技術(shù)的重要特征。該技術(shù)圓滿解 決了國內(nèi)外超硬磨料各類鍍覆技術(shù)（如磁控濺射、離子鍍、粉末覆蓋沉積鍍、非真空低溫電鍍）所存在的單次鍍覆量少；鍍層與磨料結(jié)合強(qiáng)度低；鍍覆過程溫度高，損傷超硬磨料以及鍍覆成本高等一系列工業(yè)應(yīng)用問題。實(shí)現(xiàn)了單次大批量工業(yè)化鍍覆；鍍層與磨料結(jié)合強(qiáng)度>140MPa；鍍后超硬磨料單顆粒抗壓強(qiáng)度提高5～20%，鍍覆成本每克拉<0.01元。本項(xiàng)技術(shù)裝備作為超硬材料工業(yè)的共性關(guān)鍵技術(shù)與裝備，所鍍覆的超硬磨料適用于各類高性能價格比金屬、陶瓷結(jié)合劑超硬工具的制造，已在金剛石工具廠獲得良好應(yīng)用。
 

系列鍍覆產(chǎn)品是以真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)和設(shè)備所生產(chǎn)的鍍鈦金剛石為核心，通過電鍍形成復(fù)合鍍層。圖1表明了鍍覆產(chǎn)品的系列和應(yīng)用情況。

1.1 鍍覆單一金屬或合金的超硬磨料

在金剛石、立方氮化硼表面鍍鈦及鈦合金，可以實(shí)現(xiàn)磨粒與金屬或陶瓷結(jié)合劑的強(qiáng)力結(jié)合，工具切磨工作時不脫粒、出刃增加，此外鍍層也保護(hù)超硬磨料免受工具燒結(jié)過程中的熱損傷，因而采用鍍鈦及鈦合金的 超硬磨料制造工具大幅度提高了工具的壽命和加工效率，降低了工具制造成本。國際著名超硬材料生產(chǎn)廠家都有相應(yīng)的鍍鈦及鈦合金超硬磨料品牌，如DeBeers公司的SDA-85T、ABN615，G.E公司的MBS-930T、MBS-960T、CBN510等。

技術(shù)特征：鍍覆單一金屬（如鍍鈦、鍍鎢）的金剛石，以及鍍覆合金（如鍍鈦-鉻合金）的金剛石，雖然從幾何角度講是單層的金屬或合金，但是真空微蒸發(fā)鍍覆過程中鍍層即與金剛石形成了碳化物，從金剛石表面外延生長的碳化物在成分和結(jié)構(gòu)上是逐漸過渡的，與鍍層金屬或合金并沒有明顯的幾何界限，這是實(shí)現(xiàn)鍍層與金剛石牢固結(jié)合的關(guān)鍵因素。

鍍覆工藝設(shè)備：燕山大學(xué)研制生產(chǎn)的真空微蒸發(fā)鍍技術(shù)及設(shè)備，鍍覆成本低于0.01元克拉，增重0.5～3.0%；單次鍍覆量最大已經(jīng)超過兩萬克拉。

應(yīng)用效果：在金剛石與金屬粉末混合、燒結(jié)，獲得的孕鑲工具中，已經(jīng)廣泛采用真空鍍鈦或鍍鎢的金剛石實(shí)現(xiàn)金剛石與結(jié)合劑胎體之間的冶金結(jié)合。這類孕鑲工具制造工藝采用熱壓或保護(hù)氣氛燒結(jié)，很薄的鍍鈦或鍍鎢鍍層已滿足了與結(jié)合劑胎體冶金結(jié)合的要求，因?yàn)殄冣伣饎偸唤饘俜勰┌皲\、錫低熔點(diǎn)金屬熔化后覆蓋在鍍覆的金剛石表面防止了鍍層的氧化失效，此外熱壓過程中石墨模和濕潤劑能形成保護(hù)氣氛，這些因素保證了鍍鈦或鍍鎢金剛石與金屬粉末 良好的共同燒結(jié)。多年來國內(nèi)外生產(chǎn)的單一層鍍鈦金剛石的增重量為0.5%左右，獲得了廣泛良好的應(yīng)用效果也證明了這一點(diǎn)。其主要原因在于鈦的低溫穩(wěn)定高溫活潑特性。金屬鈦在常溫狀態(tài)下是化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定和最耐腐蝕的金屬之一，550℃開始活潑并且低價氧化鈦被母材基體吸收而消失，不影響釬焊。由于在金剛石工具熱壓或無壓燒結(jié)過程中，200℃以上屬于保護(hù)性氣氛，還有低熔物的熔化包裹，因此鍍鈦金剛石直接適用于粉末燒結(jié)，冷壓熱壓各個工藝各類產(chǎn)品。

真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用以來，已在國內(nèi)近百家金剛石工具廠應(yīng)用，其生產(chǎn)的鍍鈦金剛石適用于各類金屬燒結(jié)結(jié)合劑金剛石工具，像各類金剛石切割鋸片、玻化磚金剛石滾筒及磨邊輪等金剛石工具。工業(yè)化統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：利用鍍鈦金剛石，大幅度提高（30～120%）工具壽命和加工效率。其原因在于：①鍍后的磨料與鍍層即已形成了強(qiáng)力結(jié)合，工具制造的燒結(jié)過程中，可順利實(shí)現(xiàn)與結(jié)合劑的冶金結(jié)合，防止金剛石從胚體脫落；并且使金剛石在工具切割面上出刃高度增加；從而使工具壽命和加工效率都得到提高。②由于鈦及其難溶化物鍍層的保護(hù)，防止了工具的燒結(jié)過程中金剛石的氧化和胎體中的鈷、鎳、鐵元素對金剛石的腐蝕，石墨損壞，使制品中金剛石的存留強(qiáng)度大幅度提高，增強(qiáng)了工具中金剛石的抗破碎能力，有利于高速工作的切、磨花崗巖工具壽命的提高。

在保持工具高性能的前提下，采用鍍鈦技術(shù)的廠家其收益主要體現(xiàn)在如下方面：

★可以采用無鈷鐵基結(jié)合劑制造各類工具；

★減少金剛石用量；

★大量使用廉價細(xì)粒度金剛石；

★由此使金剛石工具的制造成本大幅度降低。

1.2 真空微蒸發(fā)鍍覆之后再經(jīng)電鍍形成的多層復(fù)合

鍍超硬磨料工藝設(shè)備：金剛石經(jīng)過真空微蒸發(fā)鍍鈦或鍍鎢之后，由于已經(jīng)有了導(dǎo)電的金屬層，可以直接采用化學(xué)鍍鎳或電鍍鎳（不必經(jīng)過敏化、活化等前期處理）形成復(fù)合鍍層。化學(xué)鍍可以采用酸性鍍液或堿性鍍液，適于小批量的鍍覆，鍍層硬度高。化學(xué)鍍應(yīng)該注意金剛石與鍍液的量比適當(dāng)，防止過多的金剛石造成鍍液失穩(wěn)分解。鍍覆過程中必須適當(dāng)攪拌，防止金剛石顆粒粘連。

經(jīng)過真空微蒸發(fā)鍍覆鈦或鎢的金剛石也可以直接電鍍滾鍍鎳，與普通鍍鎳類似，有多種電鍍配方，這種復(fù)合鍍工藝省去了敏化、活化、化學(xué)鍍等諸多的繁瑣工序，成本低，批量大，適于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)復(fù)合鍍層金剛石。

技術(shù)特征：必須指出，先真空鍍鈦鍍鎢，然后進(jìn)一步鍍鎳形成的復(fù)合鍍金剛石的結(jié)構(gòu)和性能，完全不同于普通的鍍鎳金剛石。復(fù)合鍍金剛石首先鈦與金剛石已經(jīng)形成碳化鈦，使鍍鈦層與金剛石形成了化學(xué)鍵合，復(fù)合鍍鎳層在釬焊時其內(nèi)層與鈦擴(kuò)散結(jié)合，外層的鎳很容易與基體釬焊。這種復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)保證了金剛石牢固地焊接在基體上，其釬焊后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。普通鍍鎳金剛石鍍層與金剛石之間無結(jié)合力，釬焊時還可能使鍍鎳層熔化脫落，不能實(shí)現(xiàn)釬焊金剛石的目的。

應(yīng)用情況：

（1）復(fù)合鍍鈦鎳合金金剛石用于金屬燒結(jié)結(jié)合劑工具

如1.1節(jié)所述，鍍覆單一金屬層的金剛石，像鍍鈦、鍍鎢或鍍鈦鉻合金的金剛石，直接用于金屬粉末燒結(jié)的各類金剛石工具，就可以起到與結(jié)合劑牢固的冶金結(jié)合作用。但是復(fù)合鍍鈦鎳合金金剛石也可以用于金屬燒結(jié)結(jié)合劑工具。金剛石顆粒借助鈦鍍層與鎳鍍層冶金結(jié)合，由于鍍鎳層致密耐磨，在金剛石周邊的結(jié)合劑得到很大的強(qiáng)化，在磨削過程中，金剛石顆粒及周圍形成明顯“凸起”，出刃大大增加，其結(jié)構(gòu)類似圖2示意圖。因此，采用復(fù)合鍍鈦鎳合金金剛石制造金屬燒結(jié)結(jié)合劑工具會獲得更好的性能。

（2）復(fù)合鍍鈦鎳合金金剛石用于制造釬焊金剛石工具

近年來，釬焊的表鑲金剛石工具得到國外的重視，一些產(chǎn)品已經(jīng)面世。由于金剛石與基體之間的強(qiáng)力焊接結(jié)合，這種釬焊的表鑲工具可以使金剛石顆粒直徑的2 3出刃，金剛石在工作時不脫落，其鋒利度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的孕鑲或電鍍表鑲工具并且能夠長期保持其鋒利性。采用火焰或感應(yīng)加熱的釬焊方法由于操作環(huán)境差，直接使用真空鍍鈦、鍍鎢（增重量0.5%）的金剛石薄鍍層易于燒損。因此要在鍍鈦或鍍鎢的表面進(jìn)一步化學(xué)鍍鎳或電鍍鎳，增重量達(dá)到10%以上，這樣才能保證在普通的大氣釬焊條件下順利將金剛石可靠焊接到基體上。

表鑲釬焊的工藝方法可用于制造各類表鑲鉆頭，修整工具，鋒利的磨輪，金屬薄基帶的涂覆磨具可以象砂紙一樣按需要裁剪粘貼，還可以制成封閉的循環(huán)磨削砂帶應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。

在空氣中直接釬焊金剛石制造表面釬焊的金剛石工具，為了防止鍍鈦金剛石表面鈦鍍層的氧化，我們研制出一種真空微蒸發(fā)鍍鈦后再鍍鎳的復(fù)合鍍金剛石磨粒。這種復(fù)合鍍金剛石磨粒，采用空氣環(huán)境下高頻感應(yīng)的釬焊方法，使金剛石與基體焊接極其牢固。燕山大學(xué)近年來采用上述工藝方法對國內(nèi)幾家用戶的單晶 和聚晶金剛石進(jìn)行復(fù)合鍍，獲得了良好的釬焊效果，圖3表明了復(fù)合鍍Ti-Ni金剛石在空氣中高頻釬焊的形貌，復(fù)合鍍金剛石與釬料浸潤良好，結(jié)合牢固，經(jīng)砂輪強(qiáng)力打磨不脫落。

在實(shí)際的金剛石釬焊工具制造中，還有一個重要問題就是金剛石顆粒的分布排列和定向技術(shù)，否則，金剛石顆粒在工作面上的密度難于控制，并且釬焊時金剛石的平面向下，失去有效的切削能力。我們研究開發(fā)了一系列金剛石釬焊的排列和定位技術(shù)，解決了生產(chǎn)實(shí)際問題。

（3）用于樹脂結(jié)合劑的低品級超硬磨料鍍鎳（鍍鈦）的新工藝

鍍鎳的低品級金剛石（一二型料，即RVD）是專門用于樹脂結(jié)合劑的鍍覆磨料，由于鍍鎳成本高在國內(nèi)樹脂金剛石砂輪制造行業(yè)使用較少，但是國際市場有很大需求量，我國每年有大量鍍鎳低品級金剛石出口。用經(jīng)過真空微蒸發(fā)鍍覆鈦的金剛石在滾鍍機(jī)內(nèi)直接電鍍鎳，省去了傳統(tǒng)鍍鎳工藝中敏化、活化、化學(xué)鍍等諸多的繁瑣工序，成本低，批量大，適于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)復(fù)合鍍層金剛石，是極具成本和質(zhì)量競爭力的新一代鍍鎳工藝和技術(shù)。

傳統(tǒng)鍍鎳和復(fù)合鍍鈦鎳的工藝比較如下：

傳統(tǒng)鍍鎳：金剛石→酸洗 堿洗→敏化→活化→還原→化學(xué)鍍→電鍍

復(fù)合鍍新工藝：金剛石→真空微蒸發(fā)鍍鈦→直接電鍍鎳

采用復(fù)合鍍替代傳統(tǒng)鍍鎳工藝的優(yōu)點(diǎn)：（1）成本低：由于真空微蒸發(fā)鍍每天鍍覆能力10000克拉，可供3～9臺滾鍍機(jī)，每克拉鍍覆成本低于0.01元，因此復(fù)合鍍每克拉成本低于0.05元；而傳統(tǒng)鍍鎳各個工藝步驟使用大量藥品，許多是一次性使用，鍍覆成本很高，每克拉成本大于0.10元。

（2）周期短，操作簡單：復(fù)合鍍替代傳統(tǒng)鍍鎳工藝免去了酸洗 堿洗→敏化→活化→還原→化學(xué)鍍一系列繁雜的步驟及大量的溶液操作及漂洗過程。

（3）質(zhì)量好，無漏鍍：傳統(tǒng)鍍鎳工藝首先獲得化學(xué)鍍鎳層，以實(shí)現(xiàn)隨后滾鍍加厚對金剛石導(dǎo)電性的要求，但是，滾鍍過程中部分金剛石在鍍液中的漂浮，會形成雙電極效應(yīng)，使化學(xué)鍍鎳層溶落，導(dǎo)致金剛石漏鍍。對于細(xì)粒度金剛石這種現(xiàn)象更加明顯。采用鍍鈦金剛石進(jìn)行滾鍍加厚，即使形成雙電極效應(yīng)，鍍鈦層也不會溶落，沒有漏鍍現(xiàn)象發(fā)生。因此，復(fù)合鍍鈦鎳金剛石鍍覆質(zhì)量好，鍍覆的粒度極限更細(xì)。

這是燕山大學(xué)研制成功的一種新型的適用于樹脂結(jié)合劑工具的剛玉涂覆的超硬磨料。其特征是：采用硬脆的剛玉或碳化硅作為涂層，涂層凸凹不平，呈“刺狀”，與金剛石、立方氮化硼牢固結(jié)合，在樹脂基砂輪中能夠提高超硬磨料與基體的把持力，防止磨粒的早期脫落。涂覆剛玉處理的金剛石和立方氮化硼，其增重率一般在40wt%，可按要求任意調(diào)整。涂覆后的單顆粒抗壓強(qiáng)度可提高12～65%。工業(yè)化應(yīng)用結(jié)果表明：經(jīng)過該工藝處理的超硬磨料，不僅具有鍍鎳、鍍銅超硬磨料的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了它們鍍覆成本高及使工具變鈍的缺點(diǎn)，使樹脂結(jié)合劑超硬工具的使用壽命提高 20%，加工效率提高30-35%，大幅度提高工具的性能價格比。其最重要的特性是涂覆處理后的磨料具有了良好的自銳性，明顯提高了切削效率。
 

2.1 技術(shù)指標(biāo)

（1）涂層表面質(zhì)量 剛玉涂覆處理后的金剛石和立方氮化硼表面呈現(xiàn)出一種渾身長滿了小刺的顆粒。剛玉涂層處理后的金剛石表面形態(tài)見圖4。

（2）涂覆后的增重及鍍層厚度 經(jīng)過涂覆剛玉處理的金剛石和立方氮化硼，其增重率可在8wt%～120wt%內(nèi)任意調(diào)整。而涂層厚度也可隨需要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，一般在10～30微米（μm）左右。經(jīng)過大量工業(yè)化應(yīng)用結(jié)果表明，采用40%的增重量可以獲得最好的使用效果。