液态金属和合金对人造金刚石的浸润性研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1984.01.024 北京钢铁学院学报 1984年第1期 液态金属和合金对人造金刚石 的浸润性研究 粉末治金教研室吴成义解子幸 张丽英张佩玲 摘 要 本文用显微镜和扫描电镜，研究了金属与合金对小颗粒人造金刚石浸润角的 测定方法。研究了非过渡族非碳化物形成元素(Cu、Sn、Pb、Al、Ag)及CuSn 合金，对小颗粒人造金刚石的浸润性能。同时研究了在Cu、Cu-Sn合金中加入 过渡族碳化物形成元素T时，对浸润角的影响，证实了浸润角随含钛量增加而减 小的规律。 前 言 近年来由于天然金刚石的资源缺乏，价格昂贵，世界各国都很重视用高温高压技术合成 人造金刚石的研究工作。据报导仅美国通用电气公司的两个工厂，每年人造金刚石的产量 达20吨左右〔1〕。但是在现有生产的人造金刚石中，其粒度绝大部分是在36目(0·5毫米) 以下。 在利用这些细小的人造金刚石制造工具时，主要是依靠粘结金属在高温下，将金刚石 颗粒浸润粘结，或嵌釀成一个整体，即制成各种金刚石工具。但遗憾的是到目前为止世界 各国均未能找到，在较低温度(950~1000°C)下，能完全浸润和粘结金刚石的合金。而 且有关金属与合金对金刚石的浸润性资料，国内外很少有人报导。仪有的少量文献，多是 报导液态金屑与合金对大颗粒天然金刚石的浸润性能〔2)~〔7)。于液态金腐或合 金，对小颗粒人造金刚石的浸润性资料，至今未见有报导。 在上述所有研究金刚石的浸润问题中，一方面婴选择品型一致杂质成分和同的大颗粒 天然金刚石。同时还要进行表面磨光处理，这样不仅会消耗大盘的资金，而且往往因大颗 粒金刚石的来源不足会给试验带来很大困难。尽管如此，在上述文献的试验条件下，由于 所用的天然金刚石颗粒重量一般不超过0.5~0.7克，测量的放大倍数不超过65倍，因此所 得浸润照片的质量都很模糊，这对测量的精度有很大影响。 为了解决这些问题，本文首先研究了液态金属与合金，对小颗粒人造金刚石浸润角的 102

北 京 钥 铁 学 跳 学 报 年策 翔 液态金属和合金对人造金刚石 的浸润性研究 粉末 冶 全 教研 室 吴 成 义 解 子幸 张 丽 英 张佩玲 摘 要 本文 用显 微镜 和扫描 电镜 ， 研究 了金属 与合金对小颗粒人造 金刚石 浸润角的 测定方法 。 研究 了非过渡族 非碳化物形成元素 、 、 、 、 及 合金 ， 对 小颗粒人造 金 刚石 的浸润性能 。 同时研 究 了在 、 一 合 金 中 加 入 过 渡族 碳化物形成元素 时 ， 对浸 润 角的影 响 ， 证 实了浸 润 角随 含钦量 增加而 减 小的规 律 。 前 已旨 曰 近年来 由于天 然金刚石 的资源缺乏 ， 价格 昂贵 ， 世界各国都很 重视用 高温高压 技术合成 人造金刚石 的研究工作 。 据报导仅美国通用 电气公 司 的两个工 厂 ， 每年人造金刚石 的产量 达 。 吨左 右 〔 〕 。 但是在现有生 产 的人造金刚石 中 ， 其粒度 绝大部分是在 目 。 · 毫米 以 下 。 在利用 这些 细小的人 造金刚石制造工具 时 ， 主要 是依靠粘结 金 属在高温下 ， 将金刚石 颗粒浸润 粘结 ， 或嵌镶成一 个整 体 ， 即制 成各种金刚石 工具 。 但遗憾 的是到 目前 为止 世 界 各国均未能找到 ， 在较低温度 。 “ 下 ， 能完 全浸 润 和粘结金刚石 的合金 。 而 且有关金 属 与合金对 金 刚石 的浸润性 资料 ， 国内外很少 有人报 导 。 仅有的少 量文 献 ， 多是 报导 液态 金 属 与合 金对 大颗粒天 然金 刚石 的浸 润性能 〔 〕 〔 ，’ 〕 。 至 于 液 态 金 属 或 合 金 ， 对 小颗粒人造 金 刚石 的浸 润性 资料 ， 至 今未见有报导 。 在上述 所有研 究金刚 石 的浸润 问题 中 ， 一 方面 要选择 晶型一 致 杂质 成 分相 同的大颗 粒 天 然金刚石 。 同时还要进行表面磨光处理 ， 这 样不 仅会 消耗大量 的资金 ， 而 且往往 因大颗 粒金刚石 的来 源不 足会 给试验带来很大困难 。 尽 管如此 ， 在上述文 献的试验 条件下 ， 由于 所用的天 然金刚石颗粒重量一 般不超过 克 ， 测量 的放大倍数不超过“ 倍 ， 因此所 得浸润照 片的质量都很模糊 ， 这对测 量 的精度 有很大影 响 。 为 了解决这些 间题 ， 本文 首先研究 了液态金属与合金 ， 对小颗粒人造 金刚石浸润角的 了署 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．01．024

测定方法及存在问题，然后用小颗粒测定法，研究了部分纯金属，铜-锡合金，铜-针合 金，铜-锡-钛合余对小颗粒人造金刚石的浸润们，并将所得数据与天然金刚石的数据进 比较.以便考查这种方法的准确性。 一、液态金属与合金对小颗粒人造金刚石浸润角的测量方法 测冠浸润角的方法很多〔8〕〔9〕，但一般认为“静滴法”是最简便最精确的方法 〔10)，此法能在高温下，同时可靠地测定浸润角和液体的密度。因此各国都很重视发展 和完善这种方法。 在静滴法中，对被浸固体表面的面积以及液滴的重量（或直径）并没有特殊要求，因 此“静滴法”在用来测量液态金属，对小颗粒人造金刚石的浸润角时，理应是可行的。但实 际上由于人造金刚石的颗粒很小，一粒36目的立方六面体晶粒，最大的平台面积，只有 0.5×0.5(毫米2)。因此液滴的直径只能小于0.25毫米。这样小的固体表面和微小的金属液 滴，在高温下的物理化学性能，与大固体平面和大液滴的情况是否相同，这点需要考查。同时 在金属或合金颗粒加何放置在极小的固体平面上，以及浸润角你测量方法等一系列问题， 都与大平面大液滴的情况不同，为此本文研究了下列问题 1,人造金刚石自然结晶面的特征及选择。 人造金刚石的种类很多，结晶形状也很不同。受金刚石合成工艺的影响，金刚石的 晶粒外形主要有立方六面体、八面体，十四面体及无定型等外形。电镜照片(1)是无定型 金刚石的外形及表面。，由照片可以看出，这种金刚石的表面，几乎没有可供放登金周颗粒的 平台面，因此这种金刚石无论如何是不能用来作为浸润固体试样的。照片(2)(3)分别 表示立方六面体、及十四面体晶型的金刚石自然结品的外形和表面情况。由照片可以看出， 在上述品型的金刚石颗粒表面，或大或小的都存在有很平整的固体平台表面。显然在粒度相 等的情况下，其中以立方六面体晶粒的固体平台面积较大。其次是八面体和十四面体晶粒。 从照片(2)(3)可以看出，金刚石晶粒的自然结晶表面，在×1000~3000倍的情况 下，仍然是光洁度很高的固体表面，其光洁度按照片(2)估计要大于又14，这种周休平面在 用来研究液态金属的浸润问题时，显然比磨光的周体表面更能满足试验要求。 为了考查金刚石颗粒的自然结晶面在加热后表面状态的变化。本试验将各种晶型的金 刚石颗粒，在1300°C±5°C的温度下分别在氢气和真空（真空度>1×10-4老米汞柱）气 氛下加热60分钟。试验表明金刚石颗粒在真空下加热后，颗粒表面仍能保持平整光滑，见电 镜照片(4)。在氢气中1300°C加热60分钟后，金刚石颗粒表面出现严重腐蚀沟。见照片 (5)。但在1200°C氢气中加热30分钟时，金刚石表仍能持光亮平整。因此在采用人 造金刚石颗粒作为浸润周体时，在氢气中的试验温度要比真空气氛中低。 本文在后述试验中选用的人造金刚石颗粒主要有立方六面体和十四面体网种情型、 应当指出的是，作为浸润试样的金脚石题粒，在试验前必须经盐酸清洗。 2.在加热过程中小颗粒金属或合金的熔点及成分的变化情况： 在使用小液滴时，由于液滴的曲率半径很小，因此需要判明固体金属颗粒，在0,125 毫米直径时，颗粒大小对熔点及成分的影响。 从物理化学的表面热力学原理可知，微小颗粒的熔点变化，以及小液滴的合金元 103

侧 … 礴 测 定方法及存在 问题 ， 然后用小颗粒测定法 ， 研究 了部分纯 金 属 ， 铜一 锡 合 金 ， 铜一铁 合 金 ， 铜 一 锡一 钦 合全对 小颗 粒人造 金刚石 的浸润 角 ， 乡牛将所 得数据与天 然金刚石 的数据进行 比较 以 便 考夜 这种方法 的准确性 。 一 、 液态金属与合金对小颖粒人造金 刚石 浸 润角的测量方法 测 量浸 润 角的方法很多 〔 〕 〔 〕 ， 但一般认为 “ 静滴法” 是最简便最精 确 的 方 法 〔 。 〕 ， 此 法能在高温下 ， 同时可 靠地测定浸润 角和液体的密度 。 因此 各国都很重视发展 和完善 这 种方 法 。 有 静滴 法 中 ， 对 被浸 固体表面 的面 积 以及液滴的重量 或直径 并没有特殊要求 ， 因 此 “ 静 滴法” 在 用来测 量液态金属 ， 对小颗粒人造金 刚石 的浸润 角时 ， 理应 是可行的 。 但实 际上 由于人 造 金刚石 的颗粒很小 ， 一 粒 目的立 方六面 体晶粒 ， 最 大的平 台面 积 ， 只 有 毫 米 。 因此 液 滴的直径只能小于 毫米 。 这样小的固体表面 和微小的金属液 滴 ， 在高温 下 的物理化学性能 ， 与大 固体平面 和大液滴的情 况是否相 同 ， 这点需要考查 。 同时 在金 属 或合金颗粒如何放置在极小的 固体平面上 ， 以及浸 润 角的侧 最方法等一 系列 问题 ， 都与大 平面 大液 滴的情 况不 同 ， 为此本文研究 了下 列 间题 人造金刚石 自然结 晶面 的特征 及选择 。 人造 金 刚石 的种类很 多 ， 结 晶 形 状 也很不 同 。 受 金刚石合成工艺的影 响 ， 金刚石 的 晶粒外形主 要有立 方六 面体 、 八面休 ， 十 四 面体及无定 型 等外形 。 电镜照 片 是无定型 金刚石的 外形及 表面 。 由照 片可 以看 出 ，这 种金刚石 的表面 ， 几乎没有可供放置金属顺粒的 平 台面 ， 因此 这 种全 吻石 无论 如何是不能用来作为浸 润 固体试 样的 。 照 片 分 别 表 示立 方六面 体 、 及 十 四 面休 晶型 的金刚石 自然 结 晶 的外形 和表面情况 。 由照 片可 以 看出 ， 在上述 品型 的金刚 石 颗粒表面 ，或 大或小的都存在有很平整 的固体平 台表面 。 显 然在粒度 相 等的情况下 ， 其 中以立 方六面体晶粒的 固体平台面 积较大 。 其 次是八面体和十 四 面体 晶粒 。 从照 片 可 以 看出 ， 金刚石 晶粒的 自然结 晶表面 ， 在 倍的 情况 下 ， 仍然是 光 洁度很 高的 固体表 面 ， 其 光 洁度 按 照 片 估计要 大于 ， 这 种 固休平面 在 用来研 究液态 金 属 的浸 润 问题时 ， 显然 比磨光 的 固体表而更能满足试验 要求 。 为 了考查 金刚 石 颗 粒 的 自然 结晶面在加 热后 表 面状 态 的变化 。 本试验将各种 晶型的 金 刚 石 颗 粒 ， 在 “ 士 的温度 下 分别在氢气 和 真 空 真空度 “ 刁毫 米 汞 柱 气 氛下加热 分钟 。 试验表 明金刚石 颗粒在真空下 加热后 ， 颗 粒表面 仍能保 持平整 光 滑 ， 见 电 镜照 片 。 在氢气 中 。 。 加热 分钟后 ，金 刚 石 颗 粒 表而 出现 严 重 的腐蚀 沟 。 见 照 片 。 但 在 氢气 中加热 分 钟时 ， 金 刚 石 表 百仍 能 仁 持 光亮 平 整 。 因此在采用 人 造金刚石 颗 粒作为 浸 润 固体时 ， 在 氢 气中的试验 温度 要 比真 空气 氛 中低 。 本文 在后述 试 验 中选用 的人 造金刚 石 颗 粒主 要有立 方 六 面体 和 卜回 面 体两 种晶 型 、 应 当指 出的是 ， 作为浸 润 试 样的金 刚石 倾 粒 ， 在试 验前必 须经 盐 酸 清洗 。 在加 热过程 中小颗粒金属或合金 的熔点及成分的变化情况 在使用 小液滴时 ， 由于液滴 的 曲率半径很小 ， 因此 需要判明 固体金属 颐 粒 ， 在 毫米直径 时 ， 颗 粒大小对 熔点及 成分 的影 响 。 从物理化学 的表面热力学 原 理 可知 ， 微 小 颗 粒 的 熔 点 变化 ， 以及小液演的合金元

素在高温、高真空下的蒸发对合金成分的影响，其实质问题都是因固体或液体颗粒的曲率 半径过小，而使固体、液体的饱和蒸气压增大所致〔11〕。但是当固体或液体金属的颗粒 半径减小到何种程度时，才能对金属颗粒的饱和蒸气压产生，响，这是要判明的。 为了将上述问题简化，本文利用凯尔文公式〔11)，计算了液商半径减小到何种程度 时，蒸气压才开始有显著的变化。 20M (1) RTpr 式中： 一液滴半径（厘米） P,一小液滴的饱和蒸气压 P一平面液体的饱和蒸气压 σ一液体的表面张力（尔格/厘米2） P一液体的密度（克/厘米3） M一金属或合金的分子量 R一常数(8.3×101) 显然当P:/P=1时即表示小液滴的饱和蒸气压未变化， 现以纯金属铜计算，在1130°C下因铜的表面张力o=1103尔格/厘米2〔12)〔13)。 M=29,p=8.92克/厘米3（勿略高温下密度变化）。代入上式可得一系列结果如下 表1 r(風米) 10-8 10-8 10-7 Pr/P 1,002 1,062 1.856 由上列数据可以看出，只有当液滴的半径小于10~8厘米后，液滴的饱和蒸气压才会出 现明显的变化，即P,/P>1。这就是说当固体颗粒的最小直径为2×10~8厘米时，固体颗 粒以及在高温熔化后液滴的饱和蒸气压，并不会有明显的变化。品然在上述粒度范围内与 饱和蒸汽压有关的，固体小颗粒的熔点以及固相、液相中组元的落发速度，也不可能与较 大颗粒有明显的差别。 为了验证上述分析，本文一方面在高温1300°C氢气下，直接观查了粒度分别为0,125 毫米和4毫米的两种纯铜球形颗粒的熔化过程，并测定了熔化温度。试验表明，在升温速 度较慢(3~5°/分)的情况下，上述两种颗粒的熔化温度完全相同。测定装置见图2。 另一方面为了判明上述两种纯铜颗粒，在1300°C真空度(1×10-4毫米汞柱)下的蒸 发速度是否相同，本文按上述两种粉末颗粒总表面积（即蒸发表面积）相签的东件，称景 不同重量的粉末，分散在经高温真空处理过的高纯石墨片上。在上述试验条件下，加热 20、40、60分钟后，分别测量两种粉末在真空加热过程中的重量损失，以观查上述两种粒 度的纯铜颗粒，在高温真空中的蒸发速度是否相同。 上述粉重的确定，由下列条件式导出， Z14πr12=Z24rr22… (2) 式中： 104

素在高温 、 高真空下 的蒸发对合金成分的影响 ， 其实质问题都是因固 体或液体颗粒的曲率 半径过小 ， 而使 固体 、 液体的饱和蒸气压增大所致 〔 〕 。 但是 当固休或液体金属 的颖粒 半径减小到何种程 度时 ， 才能对金属 颗粒的饱 和蒸气压产生 影 响 ， 这 是需要 判明的 。 为 了将 一 述 问题简化 ， 本文利用凯尔文公式 〔 〕 ， 一 · 算 了液液半径 减 小到何种程度 时 ， 蒸 气压 才开 始有显 著 的 变化 。 一 ︸ 式 中 － 液滴半径 厘 米 － 小液滴的饱和蒸气压 － 平面 液体的饱和 蒸气压 － 液体的表面 张力 尔格 厘 米 － 液体的密度 克 厘米 － 金属或合金的分子量 － 常数 ， 显然 当 时 即表示小液滴的饱和 蒸气压 未变化 。 现 以纯 金属铜计算 ， 在 下 因铜的表面 张力 二 尔格 厘 米 “ 〔 〕 〔 ， 二 克 厘米 勿略高温下 密度 变化 。 代入上式可 得一系 列 结果如下 裹 厘米 一 。 一 了 。 由上列数据可 以看 出 ， 只 有当液滴的半径小于 “ 厘米后 ， 液滴的饱和蒸气压 才会 出 现明显 的变化 ， 即 》 。 这就是说当固体颗粒的最小直径 为 又 一 厘 米时 ， 固 体 颗 粒以及在高温熔化后液 滴的饱和 燕气压 ， 并不会 有明显 的变化 。 显 然在上述 粒度 范围内与 饱和燕汽压有关 的 ， 固体小颗粒的熔点以及 固相 、 液相 中组 元的蒸发速度 ， 也不可能 与较 大颗粒有明显 的差 别 。 为 了验证上述 分析 ， 本文一 方面在 高温 “ 氢 气下 ， 直接 观查 了粒度分 别为 毫米和 毫米的两 种纯铜球形 颗粒的熔化过程 ， 并测定 了熔化温度 。 试验 表明 ， 在升 温 速 度 较慢 “ 分 的情况下 ， 上述两种颗粒 的熔化温度完全 相 同 。 测 定装置见 图 。 另一 方面 为 了判明上述两种纯铜颗粒 ， 在 “ 真 空度 义 ’ 毫米汞柱 下 的 蒸 发速度是否相 同 ， 本文按上述两 种粉末颗粒总表面 积 即蒸发表面 积 相等的条件 ， 称量 不 同重量 的粉 末 ， 分散在经高温真空处理过的高纯石墨 片上 。 在上迷试验 条 件 下 ， 加 热 、 、 分钟后 ， 分 别测 量两种粉末在真空加热过程 中的重量损失 ， 以观查上述两 种粒 度 的纯铜顺粒 ， 在高温真空 中的蒸发速度是否相 同 。 上述粉重 的确定 ， 由下列条件式导 出 ， 北 “ … … 式 中

Z:、:为大颗粒纯铜球的颗粒数与颗粒半径（毫米） Zz、r2为小颗粒纯铜球的颗粒数与颗粒半径（毫米）。 各种颗粒的总重计算式为 W1=4πr3 3x1032,d (3) Wo Zd (4) 式中 W1、W,分别为大颗粒和小颗的总重（克） d为纯铜的比重(8.92克/厘米3) 经计算当大颗粒Z1=8,r1=2毫米时，大颗粒钥球的总重为2.391克。半径为 r2=0.0625毫米的小颗粒铜球，在蒸发表面相等的情况下，颗粒数应为Z2=2051粒，但 重量只有0.0366克 图1是经试验测定的上述两种颗粒，在高温真空 下的重量损失数据。重量称量是在试样冷却后用分析 识 130℃ 平秤测出。 个一小颗位 由图(1)可以看出，尽管颗粒的尺寸不同，但 品 0一大颗拉 所有颗粒的总蒸发速度仍然相问。经计算发现，无论 对大颗粒或小颗粒，每个颗粒在加热过程中的重量损 失率也相同。 根据上述试验可以认为，当使用上述尺寸范围的 20 40 (分)'60 小颗粒金属或合金时，各成分的挥发速度，不会因颗 加热时间 粒尺寸的上述微小变化而改变。既然各成分的蒸发速 图1 度相同，因此可近似认为，合金成分的变化，在使用 金属或合金的小颗粒（液滴）作为浸润液滴时，应当与较大液滴的情况基本相同。 3.静滴法试样制：及观测方法 一般静滴法浸润试样的制备，是将要浸润的金属或合金小块，用镊子轻轻的放在 经磨光的被浸固体表面上，在加热过程中金属逐渐熔化并实现浸润。此法由于金属和固体 表面一般较大，枚人工放置比较容易，但是当金刚石和金属颗粒都很小时，这种放置工作 就十分困雅，师使在工具显微镜下操作，也很难保证在装护过程中液落金属颗粒，这一问 题曾长时间阻碍了研究工作的进展。为了解决上述问题，本文在长期研究中终于找到了一 种极简单的放置方法。其原理主要是用极简单的方法，先使金刚石颗粒带静电荷，然后将 金属颗粒整近，即可使金属颗粒附着在金刚石颗粒表面上。经反复试验表明，这种方法十 分简便可靠。而且无论金属颗粒的形状如何，均可将金属颗粒放置在金刚石的固体表面 上。因此本文所有浸润试验均采用此法。 试样的加热和观测是在特制的设备中进行的见图(2)。温度由热电偶及电位差计测 出，误差±2°C 图中的显微镜简可沿旋转轴3旋转180°，可做垂直或水平观查。石英观察罩10的平顶 和侧表面要求有光学平面。以免在观察时造成图像变形。观察罩的升降旋钮4是为了在升 105

艺 、 ，为大麒粒纯铜球的孩粒数与颖粒半径 毫来 、 为小颖粒纯铜球的颗粒数 与颗粒半 径 毫米 。 各种颗粒 的 总重计算式 为 考 了了、 、 任月 、、， 艺 黯 黯 一 ‘ 式 中 一 ，、 分 别为大颗粒和小颗的总重 克 为纯铜的 比重 。 克 厘米 “ 经计算当大顾粒 ， 二 毫米时 ， 大顺粒铜 球 的 总 重 为 。 克 。 半径为 二 毫米的小颗粒铜球 ， 在蒸发表面相等的情况下 ， 颗粒 数 应 为 粒 ， 但 重盘只有 克 ‘‘ 广山‘二 斌次终骆以叫 加热时 间 到 分 图 是经试验测定的上述 两 种顺粒 ， 在 高 温真空 下 的重 最 损失数据 。 重量 称最 是在试样冷却后用分析 平秤测 出 。 由图 可 以看 出 ， 尽 管顺粒 的尺 寸不 同 ， 但 所有颗粒 的总蒸发速度仍然相 同 。 经计算发现 ， 无论 对 大颗粒或小颗粒 ， 每个颗粒在加热过程 中的重量损 失率也相 同 。 根据上述试验可 以 认为 ， 当使用上述尺寸范围的 小颗粒金 属 或合金时 ， 各成分的挥发速度 ， 不会 因顺 粒尺寸的上述微小变化而 改变 。 既然各成分 的蒸发速 度 相 同 ， 因此可近似认为 ， 合金成分 的变化 ， 在使用 金属或合金的小颗粒 液滴 作为浸润 液滴时 ， 应 当与较大液 滴的情况基本相 同 。 静滴法试样制备及现测方法 一般静滴法浸润试样的制备 ， 是将需要浸润 的金属 或合金小块 ， 用镊子 轻 轻 的 放 在 经磨光 的被 浸 固体表面上 ， 在加热过程 中金属逐 渐熔化并实现浸润 。 此法 由于金属 和 固体 表面一 般较 大 ， 故 人 工放 置 比较容易 ， 但是 当金刚 石 和金属 颖粒都很小时 ， 这 种放置工 作 就十分 困难 ， 即使在 工 具显 微镜 下操作 ， 也很难保证在装炉过程 中滚落金属顺粒 ， 这一 间 题 曾长时间阻碍 研 究 工作的进展 。 为 了解 决上述 问题 ， 本文在 长期研 究中终 于找到 了一 种极简单 的放置 方法 。 其原 理 主要 是用极简单的方法 ， 先使金 刚石颖粒带静 电荷 ， 然后将 金属 颗粒靠近 ， 即可使 金属 颗粒 附着在 金 刚石颗粒表 面上 。 经 反复试验 表明 ， 这 种方法十 分简便 可靠 。 而且 无论 金 属颗粒的形状如何 ， 均可 将金属 颖粒放置在金 刚石 的 固 体 表五 上 。 因此本 文所 有浸 润试验均采用此 法 。 一 试样的加热 和 观测 是在特制 的设 备 中进 行的见 图 。 温度 由热电偶及 电位差 计 测 出 ， 误 差 二 图 中的显 微镜筒可 沿 旋 转轴 旋转 “ ， 可做垂直或水平观查 。 石英观察罩 的 平 顶 和侧表面要 求有光学平 面 。 以免在观察时造 成 图像变形 。 观察罩的升降旋钮 是为 了 在升

1一长焦距物镜×10 “2兰目镜附测微尺×10~20 3一镜简旋转轴 4一观查罩升降台旋钮 5一热电偶引出线 6一电源引线 7一真空密封图 8一不锈钢弹簧管 9一水冷套 1一方形平顶石英观察跟 11一加热丝平面（钼丝） 12一石英或刚玉托片（厚0.1mm) 图2 温过程中和观察完毕时，必须将观察罩升起，以防止在高温下金属或耐火物的蒸发，而使 石英观查罩表面模糊不清。 在试样加热时，可以从垂直方向或水平方向直接观察到金属颗粒的熔化情况。当金属 颗粒熔化后，可利用目镜测微尺按图(3)及式(5)直接测出浸润角〔8〕 由图(3)可知，当液滴近似为球形且重量很小可忽略 重力影响时，无论在浸润角0>90°（不浸润）或0<90° (浸润)时均有下列关系式： 日h… tg2【 (5) 上式中的h和r,在高温下很容易由显微镜的目镜测微尺 测出。因此金属或合金液滴对金刚石的浸润角即可测得。根 据文献〔8〕可知，当液滴不为严格的球形或固一液接触面 为椭圆时，h、r应取平均值。上述方法的相对误差约为1%。 图3 但是应当指出，这种观测装置的最大缺点，是在高温及 高真空下，石英观察罩很容易被金属蒸气敷盖而模糊，为此在上述测量的基础上，本文将 上述高温加热后的浸润试样，经快冷后在电子显微镜下进行重复观测，其结果与光学显微 镰完全一致见表(2)，而且由于电镜成像景深的特点，所得照片较光学显微镜清晰，见照 片。(7) 表2 合 血 浸润角9” 铅 铅 银 光学显徽镜结果 139 120 113 150 120 电镜结果 138 120 110 150 120 106

叮 一洲 一长焦距物镜 玄二目镜附测橄尺 “ 一镜简旋转轴 一观查罩升降台旋钮 一热 电偶 引出线 一电源 引线 一真空密封圈 一不锈钢弹赞管 一水冷套 。 一方形平顶石英观察罩 一加热丝平 面 钥丝》 一石 英或刚 玉 托片 厚。 。 也 图 温过程 中和观察完毕时 ， 必须 将观察罩升起 ， 以 防止在 高温下 金属 或耐火物的蒸发 ， 而使 石 英观查罩表面 模糊不清 。 在试样加热时 ， 可 以从垂直方 向或水平方 向直接观察到金 属颗粒的熔化情 况 。 当金 属 顺粒熔化后 ， 可 利 用 目镜测 微尺按 图 及 式 直 接测 出浸 润 角 〔 〕 由图 可知 ， 当液滴近 似为球形且 重量很 小可 忽略 重力影 响 时 ， 无 论 在 浸 润角 。 不 浸 润 或 “ 浸润 时均有下列关系式 一 一 上式 中的 和 ， 在 高温下很容易由显 微镜的 目镜测微尺 测 出 。 因此金属 或合金液滴对 金刚石 的浸 润 角即可 测得 。 根 据文献 〔 〕 可知 ， 当液滴不为严格的球形或 固一液接 触 面 为椭圆时 ， 、 应 取平均值 。 上述方法 的相对误差约为 。 但是应 当指 出 ， 这种观测 装置 的最 大缺点 ， 是在高温及 高真 空下 ， 石英观察罩很容易被金属 蒸气敷盖 而模糊 ， 为此 在上述测量 的基础上 ， 本文 将 上述高温加热后 的浸润试 样 ， 经快冷后 在 电子显 微镜下 进行重复观测 ， 其结果 与光学显 微 镜完全一致见 表 ， 而 且 由于 电镜 成像景深的特 点 ， 所 得照 片较光学显微镜清晰 ，见 照 片 。 衰 合 金 浸润角护 电镜结果 一 光 学显 微镜 结果 啥卫上

另外还应强调，在小液滴冷却的过程中，液滴表面将会出现晶粒浮雕，见照片(6)， 这种情况，只有在电镜下(>200倍)才能分辨清晰。但这对浸润角的测量影响不大。尽 管如此在试验中仍希望尽量快冷。 二、金属与合金对小颗粒人造金刚石的浸润性能 对于大多数金属液体来说（碱金属除外），其表面张力的数值一般在103尔格/厘米2 左右〔17〕。当金属液滴在固体表面上铺展（浸润）时，为了克服表面张力的约束作用， 就必须使金属液体与固体表面间的附着功达到103尔格/厘米2数量级。然而在金属液体与 固体表面之间，能够产生的作用力（结合力）只有两种力一范德华力和化学力。 第一种力很微弱，它所造成的能量最多只有数卡~几十卡。这种力无论如何都不能 提供为使金属液体铺展开时所需要的能量。但是所需要的力可由第二种化学反应结合力来 提供。这种力产生的能量，一般在几百卡左右。因此要想浸润石墨和金刚石，只有在金属 与碳能够发生剧烈的化学反应，并形成牢固的碳化物，随后碳又能溶解到金属中去的情况 下才能浸润。 所有的过渡族元素，即原子的d层或层电子轨道未填满的元素，都能与碳形成类金属 的结合键。特别是d层电子或层电子缺损很多的过渡族元素如钪、钛、锆、钒等将是活性 最大的元素。另外能够与碳强烈化合，并形成离子键特徵的一些强正电元素（即有弱潜在 离子化作用的元素)，也就是位于周期系左侧的，能与碳形成(CC2)类型碳化物的碱 土金属也能很好的浸润金刚石。当然碱金属因能与碳发生强烈反应，故也属于可浸润的金 属之列。 还有一些元素能与碳形成近似共价键化合物的元素如硅、硼、铝也应属于浸润性较好 的合金元素〔17)。 由上分析可以预料，所有的过渡族元素以及强正电的金属和硅、硼、铝等元素，无论 是以纯金属或与其它元素形成合金的形式，都将能强烈的附着和浸润金刚石表面。显然非 过渡族元素不能与碳化合，当然就不能浸润金刚石表面。 !到目前为止所有的研究工作仅限于非过渡族的铜、银、金、锡、铟、镓、铋、铅、锑 金属〔15〕〔17)，由于这些元素都不能形成稳定的化合物，因此都不能浸润金刚石。能 与碳形成碳化物的非过渡族元素，研究了硼、硅、铝。过渡族元素研究了钴、镍、供、 钛、铬、钒、铌、锆、锰。而且上述所有研究均采用天然金刚石。 本文在研究不同成分的合金对人造金刚石的浸润性时，选用了部分低熔点纯金属铜、 锡、铅、铝、银以及铜一锡、铜一钛、铜一锡一钛三种不同系不同成分的合金作为浸润合 金，并分别在真空气氛(1×10乇)和氢气气氛下，分别测量浸润角，然后将所得数据与文 献〔2)~〔7)，〔14)~C16)比较。 所有使用的纯金属粉末是在真空(1×10~4乇)下重熔后制成的100目粉目颗粒。对于 合金颗粒由于静滴法所用的合金汇滴尺寸很小易产生成分偏析，为此所用合金粉末更需要 经真空熔炼。但对含钛合金考虑到钛在真空下极易蒸发，故本试验采用低温先抽空 (1×104乇)，然后在敏气保护下重熔，随后制成100日合金颗粒。 上述试验结果如下： 107

另外还应强调 ， 在小液滴冷却的过程 中 ， 液滴表面将会 出现晶粒浮雕 ， 见照 片 ， 这种情况 ， 只 有在 电镜下 。 倍 才能分辨清晰 。 但这对浸润 角的测量影 响 不 大 。 尽 管如此在试 验 中仍希望尽量快冷 。 二 、 金属与合金对小颗粒人造金 刚石 的浸润性能 对于大多数金属 液体 来说 碱金 属 除外 ， 其表面 张 力的数值一 般在 尔 格 厘 米 左 右 〔 〕 。 当金 属 液滴在 固体表面 上铺展 浸润 时 ， 为 了克服 表面 张力的约束作用 ， 就必 须使 金属 液体 与固体 表面 间的 附着功 达到 ” 尔格 厘 米 “ 数量 级 。 然而 在金属液 体 与 固体表面 之 间 ， 能够产生 的作用力 结合力 只 有两 种力一范德华 力和 化学 力 。 第一 种力很 微 弱 ， 它所造成 的能量 最多只 有数卡 几十卡 。 这种力无论 如 何 都 不 能 提供为使金属 液体铺展 开 时所需要 的能量 。 但是所需要的力可 由第二 种化学反应 结合 力来 提供 。 这种力产生 的能量 ， 一般在几百 卡左 右 。 因此要 想浸润石 墨 和 金刚石 ， 只 有在金属 与碳能够发生 剧烈的化学反应 ， 并形成牢固的碳化物 ， 随后 碳又能溶解到金 属 中去的情况 下才能浸润 。 所有的过渡族元素 ， 即原子 的 层 或 层 电子轨道 未填满的元素 ， 都能 与碳形成类金属 的结合键 。 特别是 层 电子或 层 电子缺 损很多 的过渡族元素如抗 、 钦 、 错 、 钒等将是活性 最大的元素 。 另 外能够与碳强 烈化合 ， 并形 成离子键特微的一 些强正 电元素 即有弱潜在 离子化作用的 元素 ， 也就是位于周 期系左侧的 ， 能与碳形成 类 型碳化物 的 碱 土金属 也能很好的浸润 金刚石 。 当然碱金属 因能 与碳发生 强 烈反应 ， 故也属 于 可浸 润的金 属之 列 。 还有一 些元素能与碳形成近似共 价键化合物 的元素如硅 、 硼 、 铝 也应 属 于浸润 性较好 的合金元素 〔 〕 。 由上分析可 以预料 ， 所有的过渡族 元素 以及 强正 电的金 属 和硅 、 硼 、 铝 等元素 ， 无论 是 以纯 金 属 或与其它 元素形成合金 的形式 ， 都将能强 烈 的附着和浸润 金刚石 表面 。 显 然非 过渡族元素不能 与碳化合 ， 当然就不能浸润 金刚石表面 。 叮到 目前为止 所 有 的研 究工作仅限于非过 渡族的铜 、 银 、 金 、 锡 、 锢 、 稼 、 秘 、 铅 、 锑 金属 〔 〕 〔 〕 ， 由于这 些元素都不能 形成稳定 的化合物 ， 因此都不能浸润 金 刚石 。 能 与碳形 成碳化 物 的非过 渡族 元素 ， 研 究 了硼 、 硅 、 铝 。 过渡 族元素研究 了钻 、 镍 、 铁 、 钦 、 铬 、 钒 、 妮 、 错 、 锰 。 而且上述所有研究均采用天 然金 刚石 。 本文在研究不 同成分 的合 金对人造 金刚石 的浸 润性时 ， 选 用 了部分低熔点纯 金属 铜 、 锡 、 铅 、 铝 、 银 以及铜一锡 、 铜一钦 、 铜一锡一 钦三种不 同系不 同成分 的合金 作为浸 润 合 金 ， 并分 别在 真 空气氛 峨毛 和氢气气氛下 ， 分 别测 量浸润 角 ， 然后 将所 得数据与文 献 〔 〕 〔 〕 ， 〔 〕 〔 〕 比较 。 所 有使 用 的纯 金 属 粉末是在真空 一 峨毛 下 重熔后制成的 目粉 目颖粒 。 对于 合金颗粒 由于 静 滴法所 用 的合 金 汇滴尺寸很小 易产生 成分偏析 ， 为此所 用合金粉末更 需要 经真空熔炼 。 但对 含 钦 合金 考虑 到钦在 真空下 极 易蒸发 ， 故 本试 验采 用低温先 抽 空 ‘ 毛 ， 然后 在斌气 保护下 重熔 ， 随 后 制成 目合金颗粒 。 上 述 试 验 结果 如下

1.纯金属对小颗粒人造金刚石的浸润性 照片(7)是纯金属锡对人造金刚石的浸润电镜照片。表(3)是儿种纯金属液滴对人 造金刚石的浸润角数据。为便于比较表(3)中列出了其它文献中用天然金刚石和石墨的 浸润数据。 由表(3)可以看出除铝外大多数低熔点纯金属，对人造金刚石的浸润角均大于9°。因 此可以认为这些金属对人造金刚石的浸润性很差。也就是说这些与碳不发生反应的非过渡 族元素，不能浸润石盟和人造金刚石表面，其浸润角一般在110~150度。 鞭3 纯金属对人造金刚石的浸润性 人边金刚石 天然金刚石 石 盛 金属 温度，C WA尔格/厘米 气氛 湿度·C 气筑 温度·C 日气筑 1150 145 Cu 1150 138 321 真空◆ 1150 145,真空◆◆ 140 真空 1100 1150 Sn 800 120 166 H: 1150 125[17]同上 1132L173 900 156[17] 真空 Pb 950 110 236 真空 1000 ,110[171H: 800 :138[17]L: 11 1000 150 115 H: 800 150[173其空 800 ,150[17 A! 1100 75[17]真生 100 77[17]肖空 Ag 1100 120 455 真空 ◆一真空度1×104毫米汞柱20分 ◆◆一真空度1×10‘毫米汞柱 按照附着功的计算式〔17) WA=6 (1+Cos0) (6) 式中： 日一浸润角（度） 6承一一液态金属的表面张力（达因/厘米） 由文献〔12〕、〔13)、〔17)查得6数据可计算上述儿种金属在浸润时的附着功见 表(3)。显然其附着功都很小，最多只有35心尔格/厘米°。同时还可以看出作为非过渡族 元素的铝，由于它能与碳形成碳化物，即对金刚石表面能起活化作用，所以其浸润角较 小。 另外从人造金刚石的浸润角与犬然金州石和石塑的浸润角对比可以看出，纯念属对人 澄金湖石的浸润角，与后者基本相同，这点可以证实本文研究方法的正确性。 2,钥一锡合金对人造金刚石的没润性 为了判明非过渡颜非碳化物形成元素的台金，对人造金石的浸润性能。本文配制了 表(4)所列合金，并测定了浸润角。表(4)是铜锡二元合金对人造金刚石的浸润结果。 出衣(4)可以看出，在铜中加入锡虽然降低了合金的熔点及合金液的表面张力，但并不 能改善合金对金刚石的浸润性能。这点与文献〔5)中根导的锡对玻璃碳的浸润规基本 版合。 上述结果证实了铜、锡这些非碳化物形成元素，元论以纯金属形式或以合金形式，都 不能浸润人造金刚石表面。 108

纯金血对小抓粗人造金刚石 的沮润性 照 片 是纯金 属锡对人造金 刚石 的浸润 电镜照 片 。 表 是儿种纯金属 液滴对人 造 金刚 石 的浸 润 角数据 。 为便于 比较表 中列 出了其它文献 中用天 然金 刚石 和 石 墨 的 浸 润数 据 。 由表 可 以看出除铝 外大多数低熔点纯金 属 ， 对人造 金刚石 的浸润 角均大于，。 。 。 囚 此 可 以 认为这些金属 对人造 金刚石 的浸润性很 差 。 也就是说这 些 与碳不 发生 反应 的非过 渡 族 元素 ， 不能浸 润石 墨 和人造金 刚石 表面 ， 其浸润 角一般在 度 。 衰 纯金脚对人造金 翔石 的浸润性 一 一 甲 一一一一 节尸一 一 一 人 造 金 刚 石 天 然 金 刚 石 ‘ 石 墨 金属 。 度 · 。 。 汤漏，米 仁孤 一 泳 几司 口 一 气引 温度 花 真空 真空 二 〔 了〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 同上 其空 真空 ， 〕 〔 二 〔 〕 气 氛 真空 真空 于 了毛空 真空 触比 真空 川泪伽 一真空 度 召毫 米汞柱 分 一真空度 ’ 毫米 永柱 按照 附着功 的计算式 〔 〕 狱 式 中 － 浸 润 角 度 班－ 液态 金 属 的表面 张力 达 因 厘 米 由文献 〔 〕 、 〔 〕 、 〔 〕 查得 扭数据可计算上述九种金 属在役润 时 的 附 着 功 见 表 。 显 然其附着功 都很小 ， 最多只 有 尔格 厘米 。 同时 还 可 以看 出作为 非过 渡族 元素的铝 ， 由于它能与 碳形成碳化物 ， 即对金刚石 表面能 起活化 作用 ， 所 以 其 浸 润 角 较 小 。 另 外从人造金 刚石 的浸润 角与大 然 全刚石 和石 墨 的浸 润 角 比 可以 看 出 ， 纯 众属 对人 选金刚石 的浸润 角 ， 与后 者基本相 同 ， 这 点可 以 证 实本 文研 究 方法 的正 确性 。 铜一锡合金对人造金刚石 的浸 润性 为 了判明非过渡族非碳化物形成 元素的合 金 ， 对人造 金刚 石 的浸润性能 。 本文 配制 了 表 ， 所列 合金 ， 并测 定 了浸润 角 。 表 是铜锡二 元合 金对 人造 金刚 石 的浸 润结 果 。 由 表 可 以看 出 ， 在铜 中加入 锡 虽然 降低 了合金 的熔点及合金 液 的表而 张力 ， 但 并 不 能 改善合金对 金刚石 的浸润性能 。 这 点与文献 〔 〕 中报导 的锡 对玻璃碳的浸 润 规 律 丛 本 」陡合 。 上述 结果证 实 了铜 、 锡这 些非碳化物形 成元素 ， 无论 以纯金 属形式 或 以合金 形式 ， 都 不 能浸润人造金刚 石 表面 。 卫

表4 铜佩合金对人造金刚石的浸润性 合金成分(%原子) 浸润角 温度 没时间 气氛 Cu Sa 0 C (分) 。4年 93,2 6,8 125 1150 其空 20 88.9 11,1 110 1150 真空 :0 59.5 40.5 105 1150 空 20 35.8 64,2 130 1150 真空 20 3,铜一钛合金对人造金刚石的没润性。 当铜中加入强碳化物形成元素钛时，浸润性将人大改善。表(5)是钢钛合金对人造金 刚石的浸润结果。由表(5)可以看出，当钛含坑大于10.3%（原子)时，浸润角已小于 90°。当钛含量大于15%（原子）时，浸润角趋近于零。 表5 Cu-Ti合金对人造金刚石的浸润角 合金成分(at%) 温度 浸科角 气氛 Cu (°C) (1×104E) 100 0 1150 138 真空 99.5 0.5 1150 130 北空 98.7 1.3 1150 110 真空 89.7 10.3 1150 80 真生 87.2 12.8 1150 60 空 83.4 16,6 1150 104乇下加 20 器 热，1150°C20分经冷却后的电镜照 片。 0.001 0.01 0.1 10 4.铜一锡一针合金对人造金刚 钛仑：（原于） 图4 石的浸润性。 近年来国外对铜一锡一钛三元 合金与金刚石的浸润性研究较多〔17〕，并认为这种合金对金刚石的浸润性最好。本文测 定的结果见表(6)。及照片(9)。所用真空度为1×10~4乇，氢气是经浓流酸，CaC1z, 铜屑干燥脱水后使用。 109

。 卜 衰 钾拐合金对人造金川石 的澳润性 气 氛 月 ︸﹄︸ 。 ‘分卜弓‘代勺 。 。 。 二裤空 乒空 真空 真空 曰代臼山，二 ︵二上二， ﹄，‘均二，”勺仙一︹ 卜 … ︸ “ 桐一钦合金对人造金刚石 的浸润性 。 当铜 中加入强碳化物形成元 素钦时 ， 浸润性 将大大改 二善 。 表 是钢钦合金对人造金 刚 石 的浸润 结果 。 由表 可 以看 出 ， 当钦 含 曦大于 原 子 时 ， 浸润 角己小 于 。 。 当钦含量大于 原 子 时 ， 浸润 角趋近 于零 。 衰 。 一 合金 对人造盆 用石 的浸 润角 一一 飞撤 分 内 ， 温 度 浸 。 角 气 ” 氛 ’ 。 「 一 ‘ 已 八‘ ，三二二，己‘，叮上弓“甘︸ 。 。 。 。 。 · · 一竺色一 仁一 “ · 一 宾空 了〔空 典 ’ 认 六空 宾空 真空 上述实验结果证 实 了碳化物形成元素 ， 确 实有利 于提 高浸润性 。 图 是本 文所得 铜一钦合金对人造金 刚石 的浸润结果 ， 与文献 〔 〕 〔 〕 报导 的上述合金对 天 然 金刚 勺 入尹口以价州 ︸ 八口 一 ， 一 叻勺 一 。 一 本 文 结果 人 告金 刚石 △ 一 石 胜 〔 约 口 一 夔砚 埃 曰 〕 怪润角 肛 一 天生丁全 匆冷打 〔 终〕 〔 〕 ‘ 一一 ‘ 一 一 石浸润结果 的对 比悄况 图中坐标 与文献同 。 由图 可 以看出 铜一钦合金对人造金刚石与天然金 刚的浸润性 ， 以及浸润角随含饮量 的变化趋势基本相同 。 照 片 是铜一钦 原 子 合 金 ， 在真空 “ ‘ 毛下加 热 ， 分经 冷却后 的 电镜照 。 ， 钦合至 原子 图 合金 与金刚石 的没 润性研究 较多 定 的结果见 表 。 及照 片 铜屑干燥脱水后使用 。 铜一锡一杜合金对人造盘剐 石 的漫润性 。 近 年来国外对 铜一锡一钦三 元 〔 〕 ， 并 认为这 种合金对 金刚石 的浸润性最好 。 本文测 。 所用 真空度 为 一 ‘ 毛 ， 氢气是 经 浓流酸 ， ， 日

表6 Cu-Sn一Ti合金对人造金刚石的浸润角 成分（原子） 没润角日 没润时间 序号 Cu Sn Ti 冀空下 氢气下 (分) I-1 袋 4.0 0.5 105 130 20 I-2 余 4.0 1.0 98 125 20 1-3 4.0 l.5 92 110 20 4.0 2,0 70 103 20 1-5 介 4.0 2.5 60 100 20 1-G 余 4.0 3.5 20 83 20 1-7 4.0 5.5 58 75 20 -1 10 0.5 95 120 20 且一2 余 10 1,0 70 105 20 Ⅱ一3 10 1.5 55 100 20 10 2,0 40 95 20 Ⅱ-5 S 2.5 20 9 20 Ⅱ-6 尔 10 3.5 1012 80 20 -7 10 5,5 0 70 20 Ⅲ-1 20 0.5 的 105 道-2 20 1.0 65 100 20 Ⅲ一3 20 1,5 48 90 元 Ⅲ一4 余 20 2.0 32 75 20 Ⅲ一5 尔 2.5 10 60 20 Ⅲ一6 余 20 3.5 0 45 20 1n-7 余 20 5.5 0 20~25 20 山！上述结果可以看出，在非过渡族元素铜一锡合金中，加入强碳化物形成元素钛时， 合金对人造金喇石表的浸润角急剧降低。根据文献〔17〕计算，附着功可比纯金属增加十 倍，达到千尔格/厘米2。这种现象证实了对金刚石的浸润能力，主要取决于金属一金刚石 介面上形成碳化物的化学反应。当铜一锡合金中加入钛时，这种化学反应主要是以形成碳 化钛的形式而释放出大量的能。显然随着钛含量增加，这种反应释放的总能量也愈大，从 而更有利于克服液态表面张力的约束，以实现液体在固体表面上的铺展。 为了进一步证实上述观点，本文用极细的15~18μ，含钛5.5%（原子）的Ⅲ-7合金粉 末见表(7)，在1150°C直空中(1×10-4毛)延长加热时间(1.5小时)，以观察钛元素 对人造金刚石表面的化学反应（腐蚀现象）。 照片10是经长时间加热后铜一锡一钛合金，对金刚石表面的腐蚀凹坑电镜照片。照片 (11)是照片(10)中一个腐蚀坑的电镜y-轴投影照片。由照片上的等高线可以清楚的看 到，在铜一锡一钛浸润的区域，由于长时间进行了化学反应致使金刚石表面深陷下去。 根据电镜照片的特徵，上述过程可用示意图(5)表示。图(5)a是反应初期合金液 完全铺展在金刚石表面，并在固一液介面间形成了很薄的碳化钛层。图(5)b,是反应中 期，合金中的钛原子消耗近半，介金液因合钛量降低，浸润角开始增大，液滴开始收缩并隆 起，但金刚石表而心明显凹陷。图(5)℃是反应后期，合金液中的体原子心消托殆尽。 残仟的液滴经电子探针分析，含钛<0.01%（重量)，此时因含钛极低放液滴因浸润角变 110

衰 。 一 。 一 合金对人造金用石的拼润 角 成 分 原 子 ，几生，二，占， ”曰月了口二甘血︸，，甘口勺甘勺工﹄ 甘︵ ‘二占 吵︸任脚了匕冉月 “舀口﹄ 一 一 一 一 一 一 一 了 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 班 一 一 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 浸 真 空 下 润 角 氢 气 下 浸润时间 佘余佘余佘 分 山上 述 结果可 以看 出 ， 在非过 渡族元素铜一 锡合金 中 ， 加入强碳化物形成元素铁时 ， 合金对 人 造 金刚石 表 而 的浸 润 角急剧 降低 。 根据文献 〔 〕 计算 ， 附着功可 比纯金属 增加十 倍 ， 达 到 千尔格 厘 米 “ 。 这 种现 象证 实 了对 金 刚石 的浸润能力 ， 主要取决于金 属一金刚石 介面上形成 碳化物的化学 反应 。 当铜一 锡合金 中加入钦时 ， 这种化学反应主 要是 以形成碳 化钦的形式而释放 出大量的能 。 显 然随着 钦含量增加 ， 这种反应释放的总能量 也 愈大 ， 从 而更 有利于克服液态 表面 张力的约束 ， 以实现 液体在固体表面上 的铺展 。 为 了进一步证 实上述 观点 ， 本文用极细的 “ ， 含钦 原 子 的 一 合金粉 末见 表 ， 在 真 空 中 一 月毛 延 长加热时间 小时 ， 以 观 察钦 元素 对人造 金 刚石 表面 的化学 反 应 腐蚀现 象 。 照 片 是经 长时 间加热后 铜一 锡一 钦合金 ， 对金 刚石表 面 的腐 蚀 四坑 电镜照 片 。 照片 是照 片 中一 个腐蚀 坑的 电镜 一 轴投影 照 片 。 由照 片上 的等高线 可 以清楚的看 到 ， 在铜一 锡一钦浸 润 的 区 域 ， 由于 长时间进行了化学反应致使金刚石 表面 深 陷下 去 。 根 据电镜照 片的特微 ， 上述 过程 可 用示 意 图 表示 。 图 是反应 初期合 金 液 完全铺展在金 刚石 表面 ， 并在 固一 液介面 间形成 了很薄的 碳化钦 层 。 图 ， 是反应 中 期 ， 合金 ‘卜的钦原子 消耗近 半 ， 合金 液因含钦量 降低 ， 浸润 角开始增大 ， 液滴开始收缩并 隆 起 ， 但金刚石 表而 已 明显 明陷 。 图 。 是反 应后 期 ， 合金液 ，扣的 认 原 子已 消 耗 殆 尽 。 残 存 的 液滴经 电子探 针分 析 ， 含认 重虽 ， 此时因含认极低故液滴因浸 润角变

Cu-Sn-Ti 大而进一步收缩隆起。但凹坑侧壁的电子探针分析钛 2控2型5 板刚石 含量很高(>80%重量)，已接近碳化钛中的钛含量。 (a) TiC 说明已形成了碳化钛薄层。可以想像此时的液滴，已 Cu-Sn--Ti 完全被TiC薄膜隔离。 金刚 上述现象及分析，进一步证实了强碳化物形成元 茶，对金刚石表面的浸润活化作用，主要取决于金属 C层 一金刚石介面上形成碳化物的化学反应及其程度。 金刚石 从表(6)还可以看出在含钛量大体相同的情况 下，含锡量大的合金，其浸润角比含锡量少的稍小。 这种结果与文献〔15)中报导的Cu一Sn一Ti三元合 图5 金对石墨的浸润结果有相同的趋势。这种现象按照文 献〔17〕的观点认为，锡在整个浸润过程中，能够起 到局部地清除表面一还原金属表面氧化物，或将氧化层溶解到金属中去的助熔剂作用，并 能促进活性金属与固体表面接触。因此合金含锡量增加，有利于浸润角降低。但是在氢气 气氛下（一般瓶装氢气经浓硫酸干燥过泸），上述所有合金的浸润角，均比真空气氛下 大。这主要是由于合金中的钛在一般氢气中（含水仍较高）容易形成TO2薄膜。这种薄 膜有时较厚，在电镜下可以清楚的观察到。因此合金中即使含钛量较高其浸润角仍然很大。 另外还应指出，本文所有加钛合金的含钛量，都是指配制合金的含钛量，显然这种含 量，在浸润过程中因真空蒸发而降低，这点与文献〔17)中报导的情况相同，因此本文这 部分的试验结果，即出现浸润角为零的合金含钛量，无法与国外数据比较。 结 论 1、研究并验证了利用小颗粒人造金刚石，测定金属与合金对人造金刚石浸润角的试验方 法，并通过试验数据和电镜照片，说明此法的可靠性。 2、研究了非过渡族非碳化物形成元素（铜、锡、铅、铝、银）及铜一锡合金对小颗粒人 造金刚石的浸润性能。证实了这些金属不能浸润人造金刚石，同时证实本文的测定结 果与国外基本相同。 3、研究了在Cu一S合金中，加入过渡族碳化物形成元素钛时，合金对人造金刚石的浸 润性能显著改善。同时证实了碳化物形成元素，是通过形成碳化物的化学反应来实现 浸润的。随着含钛量增加，合金的浸润角急剧降低。 4 111

亡 一 一 ‘ 凡石 一 一 、 金刚石 ， 层 全刚石 孟 气 大而进一步收缩隆起 。 但凹坑侧壁 的电子探针分析铁 含量很高 重量 ， 已接近 碳化钦 中的钦含量 。 说明 己形成了碳化钦薄层 。 可 以想像此时的液滴 ， 已 完全被 薄膜 隔离 。 述 现 象及分析 ， 进 一步证 实了强碳化物形成元 素 ， 对 金 刚石 表面 的浸润 活化作用 ， 主要取决于 金属 一金刚石 介面上形成碳化物 的化学 反 应 及其程度 。 从表 还可 以 看 出在含钦量 大体相 同的 情 况 下 ， 含锡量大的合金 ， 其浸润角比含锡量少 的稍小 。 这种结果与文献 〔 中报导 的 一 一 三元合 金对 石 墨 的浸润结果有相 同的趋 势 。 这种现 象按照 文 献 〔 〕 的观点认为 ， 锡在整 个浸 润 过程 中 ， 能够起 ‘ 到局 部地清除表面一还 原金 属表面氧化物 ， 或将氧化层 溶解到金属 中去 的助 熔剂作用 ， 并 能促进活性金属 与固体表面接触 。 因此合金 含锡量增加 ， 有利 于浸润 角降低 。 但是在氢气 气氛下 一 般瓶装氢气经浓硫酸干燥 过沪 ， 上述所 有合金 的浸 润 角 ， 均 比 真 空 气氛下 大 。 这主要是 由于 合金 中的钦在一 般氢气中 含水仍较高 容易形成 薄膜 。 这种薄 膜有时较厚 ， 在 电镜下 可 以清楚 的观察到 。 因此合金 中即使含钦量较高其浸润 角仍然很大 。 另外还应指出 ， 本文所有加钦合金 的含钦量 ， 都是指配制合金 的含钦量 ， 显 然这种含 量 ， 在浸润过程中因真空燕发而降低 ， 这点与文献 〔 〕 中报导 的情况相 同 ， 因此 本文这 部分的试验结果 ， 即出现浸润 角为零的合金含钦量 ， 无法与国外数据 比较 。 、 结 论 、 研 究并验证了利用小颖粒人造金刚石 ， 测定金 属与合金 对人造金 刚石径润 角的试 验方 法 ， 并通 过试验数据和 电镜照 片 ， 说明此法 的可靠性 。 、 研究 了非过渡族非碳化物形成元素 铜 、 锡 、 铅 、 铝 、 银 及铜一锡合金对 小颗粒人 造金刚石 的浸润性能 。 证实了这些金属不能浸润人造 金刚 石 ， 同时证 实本文 的测定结 果与国外基本相同 。 ， 研究了在 一 。 合金 中 ， 加入过渡族碳化物形成元素钦时 ， 合金对人造金 刚 石 的 浸 润性能显著改善 。 同时证实了碳化物形成元素 ， 是通 过形成碳化物的化学反应 来 实 现 畏润的 。 随着含钦量 增加 ， 合金的浸润角急剧降低