金刚石的表面刻蚀及其铬铁复合镀层的制备与性能

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金刚石因其强度好、硬度佳、热膨胀系数低等优势,已在诸多领域广泛应用。由于金刚石固有的尺寸弊端,需附着在结合剂(如铁基结合剂)基体上方能制备成形状各异的工具。然而金刚石光滑且难润湿的特性使得其与基体之间的界面结合能力差,结合强度低,故而制约了其力学性能的发挥。为此,本论文通过金刚石的表面刻蚀和表面沉积铬-铁复合镀层两种策略以增强金刚石与结合剂之间的附着力,具体如下:(1)以铁粉为催化剂,硫酸铁为刻蚀添加剂,通过材料配比-真空烧结两步工艺加速金刚石刻蚀过程。通过优化材料配比和真空烧结过程中的工艺参数,结合相应表征技术,系统探究了原料配比、刻蚀添加剂、铁粉粒度、烧结温度和保温时间这五种因素对金刚石刻蚀前后的表面形貌和性能的影响,得出了最优的金刚石刻蚀工艺。结果表明,温度对金刚石的刻蚀作用最为显著,随温度升高,金刚石{111}面刻蚀坑倾向于横向铺展,其形状为多边形,而{100}面的刻蚀坑形状由圆/椭圆形逐渐向规则四边形演变;与原始金刚石相比,经900℃刻蚀后,金刚石质量下降幅度仅为1.18wt.%,单颗粒抗压强度与冲击韧性的降低幅度仅为4.80%和4.59%。最后的刻蚀机理分析显示金刚石石墨化是刻蚀的主要原因。(2)基于真空微蒸发镀覆技术,通过优化混料过程中金刚石、铬和铁的含量,在最佳配比下着重探讨了镀覆温度和时间对金刚石Cr-Fe复合镀层的表面形貌、结构、厚度、成分、和力学性能的影响,得出了金刚石镀覆Cr-Fe工艺的最优解。研究表明,最佳镀覆工艺为:镀覆温度875℃,保温时间120min,在此工艺下获得了厚度为843 nm且主要成分为Cr7C3和FeCr的密致均匀的三元复合镀层;与原始金刚石相比,镀覆后金刚石的增重幅度高达2.96wt.%,单颗粒抗压强度和冲击韧性分别提高了11.37%和2.72%。
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