1962年我從清華大學本科畢業(yè)，到北京市粉末冶金研究所工作。第二年接到了國家物資部與一機部聯(lián)合下達的研制修正砂輪用的金剛石筆的任務，沒想到競由此闖入用粉末冶金工藝制造金剛石工具的領域，開始了與金剛石結伴的50個春秋，做了若干開創(chuàng)性工作。

　　一、研制金剛石修整筆

　　當時國內修正砂輪的工具叫做金剛石刀，是由寶石加工廠用天然金剛石機械嵌鑲而成，天然金剛石一克拉約300元。蘇聯(lián)幫助建設的我國重點機械加工行業(yè)，也用蘇聯(lián)的金剛石筆，是用等外品金剛石顆?；蛩?a href='/news/search/key/%25E9%2592%25BB%25E7%259F%25B3.html' target='_blank'>鉆石（35元/1克拉），用粉末冶金工藝制造天然金剛石修整筆修磨砂輪。

　　我們拜訪了長春第一汽車制造廠林已生工程師和哈爾濱量具刃具廠戴錫瑤工程師，他們大量使用由蘇聯(lián)進口的金剛石筆，一支金剛石筆進口價格120元，嫌貴，想自已做。幫助他們建廠的蘇聯(lián)專家教他們一種制造金剛石筆的方法：把金剛石顆粒和碳化鎢粉裝在細鋼管中，插進高溫黃銅熔液中，銅合金熔液靠毛細管原理滲透進金剛石顆粒和WC粉末組成的粉體中，制成金剛石筆。但是按老大哥的方法做出來的金剛石筆其質量卻不如由莫斯科硬質合金廠生產(chǎn)的，還得從蘇聯(lián)進口。二位工程師的寶貴經(jīng)驗對我極有啟發(fā)：決定走粉末冶金熱壓技術加工。 僅幾個月，一臺杠桿加壓，石墨模電阻直熱的熱壓機投入金剛石筆的試制。不到半年，我三次到一汽和哈量進行現(xiàn)場試用，改進。最后工廠評價，我們的金剛石筆超過了蘇聯(lián)。

　　1964年8月由北京市機械局主持鑒定，批準金剛石筆投入批量生產(chǎn)，由國家物資部提供等外品金剛石(一克拉35元)，生產(chǎn)的金剛石筆(一克拉65元)由國家物資部統(tǒng)購分配。當時國內把金剛石視為貴重物品，物資部派車并由持槍士兵押運。

　　我所年生產(chǎn)金剛石筆8萬多只，為國家節(jié)約近2000萬美元，成了粉末冶金所的“搖錢樹”。金剛石筆研究項目獲一機部和北京市研究成果獎，1965年我被評為北京市工交戰(zhàn)線“五好職工”。

　　二、闖進金剛石石油鉆頭的研究領域

　　1965年大慶油田計劃打一口5000m國內最深油井—“松機六井”，該油井鉆進到4500m，繼續(xù)鉆進非常困難，使用對付硬地層的由中八角硬質合金鑲焊的鉆頭，一個鉆頭只能鉆進0.5m。在井深4500m下要更換鉆頭需三個班。一年只能鉆進180m，完成5000m鉆井需三年。

　　大慶石油鉆探技術研究所請我所協(xié)作趕制金剛石石油鉆頭。我所迅即開展金剛石石油鉆頭的研究，支援大慶石油會戰(zhàn)。

　　我看到大慶油田用的鑲焊中八角硬質合金鉆頭的結構，十分高興，因為我研究成功的粉末冶金熱壓法制造金剛石筆的技術正好可派上用場。考慮到石油鉆頭在四千多米的深孔下鉆進巖層，鉆頭的工作條件比修正砂輪更惡劣。我調正了合金胎體的性能、變更了天然金剛石的布局，試制了二個鉆頭的金剛石孕鑲塊送往大慶。

　　大慶油田鉆探技術研究所邱伯堂主任將我?guī)淼慕饎偸需倝K嵌焊成兩只石油鉆頭，這應該是我國第一個自制的天然金剛石石油鉆頭。

　　我們迅即把鉆頭送到“松機六井”。時值嚴冬，高幾十米鉆塔豎立在茫茫的大草原上，呼嘯的西北風，寒氣刺骨，滴水成冰，鉆塔無遮無蓋，只有幾片毛氈擋著機臺，鉆探工人硬是在這冰天雪地中，手握剎把日日夜夜地操縱著鉆機，此情此景令人震撼，大慶鐵人精神給我留下深刻的印象，一生均受益非淺。

　　鉆頭試驗結果：一個鉆頭可鉆進5至10米，比硬質合金鉆頭提高十多倍，解了該深孔鉆井的燃眉之急。我也因而闖進了金剛石石油鉆頭研究領域，歷時十載。

　　1965年底，四川油氣大會戰(zhàn)打響，該油田地層較硬，急需金剛石石油鉆頭，石油工業(yè)部正式向我所下達研究金剛石石油鉆頭的課題，我所迅即成立了以我為組長的“石油鉆頭攻關組”?？凳蓝鞑块L委任石油部裝備制造局周鑒局長為“鉆頭司令”，親自到我所現(xiàn)場指導、支持金剛石石油鉆頭的研制。石油部趙振聲司長親自向我傳授了他赴蘇參觀有關石油鉆頭制造的見聞。我有幸得到了在石油鉆頭研究富有經(jīng)驗、卓有見識的石油戰(zhàn)線的許多工程技術人員的幫助，如大慶油田邱伯堂教授、袁靜玉工程師，四川石油總機廠莫瑤、李萬林工程師，北京石油學院蔡鏡倫教授，新疆克拉瑪依油田石汝磊工程師等等。

　　我選定中頻感應加熱粉末冶金熱壓工藝作為制造金剛石石油鉆頭的工藝路線。從設備購進、工裝組合、鉆頭結構設計、金剛石模具加工、合金胎體調試等環(huán)節(jié)都是從零開始。日日夜夜、爭分奪秒。不到半年，按石油部指令，1966年“五一”試制出整體金剛石石油取心鉆頭樣品，直徑176毫米。不幸的是，剛試制的幾個鉆頭樣品，在“五一獻禮”前夕，在外力沖撞下都斷裂了，即鉆冠與鋼體之間的結合部爆裂。這是由于鋼體與含金剛石的合金胎體(鉆冠)之間存在很大的內應力所致。我們對二者之間因較大的線膨脹系數(shù)的差異而存在很大的內應力缺乏認識。

　　石油部下達我所研究金剛石石油鉆頭的同時，也在蘇聯(lián)幫助建設的株洲601硬質合金廠安排了同樣的項目，該工廠沿用蘇聯(lián)專家的粉末冶金冷壓浸漬工藝來制造鉆頭。就在我們因斷裂而鬧得焦頭爛額的之時，株洲601廠試制的首批金剛石鉆頭卻傳來了可喜的消息，第一個鉆頭在四川硬地層鉆進了70多米，而獲得頭功。人們開始懷疑熱壓工藝，勸我改用冷壓浸滲工藝。

　　那時我年輕，在技術上卻很固執(zhí)，認定的技術方向非要走到頭。采取添加應力緩沖層等措施，終于克服了內應力，我們研制的金剛石鉆頭送到四川油田，在鉆進硬地層中取得很好的效果。

　　1967年石油部在四川召開第二屆硬地層鉆頭攻關會議，當我在報告中提及當時我們在金剛石石油鉆頭研究中遇到挫折，仍然堅持自己的粉末冶金熱壓工藝，克服困難，取得成功時。與會的趙振聲司長代頭呼口號，贊賞并肯定了我們堅持走自己的路，終于為我國石油工業(yè)闖出了我國自己的金剛石石油鉆頭之路。

　　十年中，我研制成功一系金剛石石油鉆頭；口徑5+3/4 英寸、6+3/4英寸、7+3/4英寸、8+3/4英寸等，取芯鉆頭和全面鉆進鉆頭，以及制造難度很大的，仿美國LX型多翼多階梯全面鉆進鉆頭，在國內許多油田均能看到我們金剛石石油鉆頭的蹤影。

　　1970年至1974年我還與地質部德州石油地質勘探研究所、大慶油田、江漢油田合作研究“針狀硬質合金鉆頭”，“聚晶金剛石石油鉆頭”，該鉆頭在中硬地層鉆進中有很好效果。多翼多階梯針狀硬質合金石油鉆頭和聚晶金剛石鉆頭在大慶油田、江漢油田得到一定的應用。

　　我作為負責人研發(fā)的一系列石油鉆頭，1976年由國家科技辦評選為文革期間國內百項重大科技成果之一，獲1978年全國科學大會獎。

　　三、戲劇性地開展人造金剛石鉆頭的研究

　　1969年冶金部北京冶金地質研究所鉆探室主任李振潛參加“五一”節(jié)天安門游行，看到“東華門人造金剛石廠”牌子，“發(fā)現(xiàn)”了中國有人造金剛石！這位留蘇專攻地質鉆探的工程師大為振奮，為什么不用中國自已人造金剛石制造地質鉆頭。他的想法得到冶金部地質司鉆探處處長楊春發(fā)老工程師的支持，迅即與我洽議試制人造金剛石地質鉆頭事宜。經(jīng)李振潛一陣鼓動：靠進口天然金剛石發(fā)展地質鉆頭在我國走不通，一個鉆頭要出口一車皮大米才能換回來的呀！我倆說干就干，不多久我們倆就試制出幾個直徑46mm、56mm的6至8水口的人造金剛石地質鉆頭，這應該是我國第一批人造金剛石地質鉆頭。

　　鉆頭的地面臺架實驗是在北京地質學院探工教研室進行。首鋼勘探隊老機長桑永秀師付操作鉆機，我與李振潛一起動手對著花崗石鉆進：轉速每分300至500轉，取到約300mm長的巖芯。經(jīng)反復鉆進，估計一個鉆頭能鉆進2至3m花崗巖。

　　第一次井下實驗是在首鋼勘探隊一個用鋼粒鉆進探孔中進行，鉆頭直徑75mm，轉速約每分200轉。結果幾個鉆頭平均壽命只有300至500mm。分析原因在于鋼粒鉆進的條件不適合人造金剛石鉆頭的鉆進。

　　在楊春發(fā)處長與李振潛同志的努下，冶金部專為人造金剛石鉆頭在北京十三陵北面東三岔由首鋼勘隊專門安排一個小口徑鉆孔，使用直徑56mm和46mm的人造金剛石鉆頭，配置直徑42mm的鉆桿，實現(xiàn)滿孔鉆進。當年冬，試驗機臺開鉆，我與李振潛日夜守著，首鋼勘探隊桑永秀、葛振河二機長精心操作，年邁的楊春發(fā)工程師親自到場指導。歷時一個多月，共鉆進了約200m米硬地層，平均一個人造金剛石鉆頭壽命約8m左右。我們高興的是人造金剛石鉆頭鉆進了一個200m硬地層全孔，但又深感不足的是沒能顯示出金剛石鉆進的長處：鉆頭壽命不長、鉆進效率不高。究其原因在于所用轉盤鉆機，每分鐘轉速僅200至300轉，磨料級人造金剛石鉆頭自然不可能獲得高的鉆進速度和較高壽命。那時我們已看到人造金剛石鉆頭成功的苗頭，下決心克服一切困難，一定要把鉆頭研究成功。

　　這時文化大革命開始啦，我被掛上“修正主義苗子”的黑牌子和重業(yè)務輕政治的帽子，經(jīng)常挨批，那能允許我總是在實驗室研制，去勘探隊搞現(xiàn)場試驗？！此時傳來了冶金部黨代表在李振潛申報的開展人造金剛石鉆頭鉆探技術研究報告中批示：“此項研究意義極大，如果成功將引起我國地質鉆探技術的革命”。 我所的軍代表看到這批示，認真地對我說：“你搞人造金剛石鉆頭研究事關國家建設，也是政治，你放心做研究、去現(xiàn)場試驗”。一席話我 如釋重負，在所內日以繼夜地改進鉆頭的性能，鉆頭在十多個礦山和勘探隊試驗，不管天南海北我都親自參加。

　　1970年9月我和李振潛，1971年7月我和吳棣華二次奔赴嘉裕關三九公司正在開發(fā)的鐵礦山，帶著不斷改進的直徑36mm的人造金剛石鉆頭進行現(xiàn)場試驗。該礦山全套的裝備由瑞典引進，坑道水平探孔深度不過20至30m，用的是瑞典高速鉆機，轉速達每分2000轉, 礦山有十分堅硬的紅碧玉巖層，可鉆性達10至11級，大家認為非常適合磨料級人造金剛石鉆進。該礦正常探礦用的是從瑞典進口的天然金剛石表鑲鉆頭，由于巖層堅硬，一只鉆頭僅鉆進1m左右，金剛石尖刃就己磨損。磨料級人造金剛石鉆頭正可發(fā)揮其特點，試驗結果優(yōu)于瑞典表鑲天然金剛石鉆頭，一個鉆頭可鉆進近10m，鉆進效率也很高，達每小時1.5m。我高興地給我所軍代表發(fā)去喜報。從此我所開始向三九公司供應人造金剛石鉆頭，替代瑞典的天然金剛石鉆頭。

　　冶金部中南勘探公司進口了一臺高轉速液壓鉆機，宿春山工程師加入了我們人造金剛石鉆頭研制協(xié)作組。1970年4月我?guī)Я酥睆?6mm與46mm的鉆頭赴武漢，在每分800至1500高轉速下，一只鉆頭可鉆進花崗巖15至20m，每小時可進尺2.5m，效果很好。

　　宿春山工程師接著把該高轉速液壓鉆機安置在湖北花園，我提供人造金剛石鉆頭，我與吳棣華參加了全部試驗。鉆頭直徑56mm與46mm，實現(xiàn)了小口徑、高轉速滿孔鉆進。鉆白崗巖，平均壽命約20m，鉆進速度超過1.5m/小時，宣告了人造金剛石鉆頭地質鉆探成功。
在研制人造金剛石鉆頭的全過程，我得到了鄭州三磨所于鴻昌、王松順、楊震等、中科院物理所沈主同主持的高壓物理室、一機部通用機械研究所胡明倫、宗守寅等等奮戰(zhàn)在研制人造金剛石戰(zhàn)線技術專家的熱情支持，他們紛紛奉獻了他們的優(yōu)質人造金剛石。應該說人造金剛石地質鉆頭研究成功，也是他們人造金剛石的成功。

　　1973年我與吳棣華又奔赴湖南冷水江市錫礦山，在于承武工程師的支持和參與下，開展了人造金剛石鉆頭礦坑內鉆探試驗，取得圓滿成功，，我所開始向錫礦山礦務局提供人造金剛石鉆頭。

　　1974年由國家計委主持下，以冶金部為主與一機部、煤炭部和國家地質管理局，“三部一局”在湖南錫礦山召開人造金剛石鉆頭現(xiàn)場會，宣告了人造金剛石地質鉆頭研究成功，我所向冶金部屬下勘探隊每年提供5000只以上人造金剛石地質、礦山鉆頭，支持了該鉆頭的推廣應用。

　　1976年我提供的人造金剛石地質鉆頭在冶金部遼寧通化606勘探隊取得很高的鉆進水平，其中一只鉆頭在鉆進安山巖(可鉆性8至10級)中, 累計進尺301m，平均時效1.62m。據(jù)冶金部情報部門查詢，是世界金剛石地質鉆頭的最高壽命。并由中央人民廣播電臺對海外作了報導，英國DeBeers公司總裁給我發(fā)來電報稱：“你研制的人造金剛石鉆頭在硬地層地質鉆探中，鉆進了301米，這是一個重大的技術突破”，并邀請我參加香港國際金剛石技術研討會。這是我國金剛石行業(yè)首次參加國際會議。

　　我主持研制的上述人造金剛石地質鉆頭與針狀硬質合金地質鉆頭，雙獲1978年全國科學大會重大科技成果獎。并榮獲全國科學大會授予“全國先進科技工作者”獎狀。

　　四、金屬合金和金剛石的焊接與結合界面研究

　　從1964年涉足金剛石工具研究和研制成功的多種金剛石工具的使用觀察中，我覺察到粉末冶金熱壓工藝制成的金剛石工具之所以有較高的壽命主要在于胎體對金剛石顆粒嵌鑲牢固，但我所用的各種合金胎體對金剛石均缺乏冶金焊結力。1973年我在人造金剛石礦山地質鉆頭研究報告中，便提出開展金屬合金對金剛石晶體表面的浸潤與結合界面的研究。

　　考慮到金剛石是由碳原子構成，在一定的熱溫條件下與其相結的一些強碳化物形成元素金屬應該發(fā)生作用而形成新的結合界面，我的研究正是以此為起點?？紤]到較大金剛石晶面需昂貴的代價，我取同樣由碳原子構成的高純度石墨作為試驗襯底，選擇活性較強的Ti加入到低熔點Cu、Cu-Sn、Cu-Ag熔液中，研究其對石墨的浸潤性的變化并對其結合界面的物理機制進行系統(tǒng)的分析研究。浸潤性的評估與浸潤角的測定是在由我所夏公田高工自行設計與組裝的高真空浸潤角測定儀上進行，試樣加熱溫度可達1200℃。

　　1974—1977年該項目的研究工作不斷地取得進展：首先觀察到一般低熔點金屬及其合金，Cu、Ag、Sn、Cu-Ag、Cu-Sn、Ag-Sn、Cu-Ag-Sn、Cu-Sn-Zn、Cn-Sn-Ni、Cu-Sn-Co等等，在高于其相應熔點50℃下，對石墨的浸潤角均在90度以上，浸潤性很差。當上述金屬與合金熔液加入10％的Ti之后，測定其對石墨的浸潤性發(fā)生了質的變化，浸潤角幾乎均在45以內。如90Cu-10Ti合金與75Cu-15Sn-10Ti合金對石墨的浸潤角幾乎為0。

　　在分析加入Ti合金與石墨的結合界面物理機構時，鑒于能譜分析對石墨的穿透率遠大于金屬，我采取將合金與石墨界面的石墨一端逐漸研磨減薄辦法，使石墨層減薄至能譜分析可以穿透到界面層為止。結果令人振奮，在分析譜線中除了有石墨碳、金屬合金譜線外，還出現(xiàn)了清晰的TiC譜線。我還在結合面斷口的掃描電鏡中觀察到很清晰的TiC界面層，并且其厚度依反應的溫度提高、反應時間的加長而加厚。還在顯微硬度分析中得到了界面層異乎尋常的高硬度，全部分析的結論是：含Ti的Cu基合金熔液與石墨之間結合界面的反應生成物為TiC層，它牢固地附著在石墨母體上。

　　繼而，實驗研究當然延伸到除Ti之外其它強碳化物形成元素，緒如Zr、Cr、V、W、Mo、Si、Ta、Nb、Ha，均獲得上述類似的結果：即結合界面為相應的碳化物。

　　最后，我獲得若干顆天然金剛石鉆戒胚料，其金剛石已磨成平面，線度超過5毫米。以此替換了代石墨作為襯底，重復了上述試驗分析，同樣證實了含Ti的Cu合金熔液對金剛石有良好浸潤性與焊接力，在其結合界面形成了很薄的TiC層，它牢固地附著在金剛石的晶面上。

　　在我發(fā)表的一系列論文中均闡明了如下的結論：Ti等強碳化物形元素加入到Cu、Ag 等低熔點合金中極大地改善了合金對金剛石的浸潤性，其機理在于該合金與金剛石之間的結合界面反應生成了相應的碳化物界層，如TiC層，合金對金剛石的浸潤與焊接(粘結)，實質是該合金對牢固附著在金剛石母體上的界面反應生成碳化物(TiC)界層的浸潤、并通過焊接（粘結）碳化物界面，而實現(xiàn)對金剛石的焊接(粘結)。

　　這個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，對于以金屬為粘結劑粉末冶金工藝制造金剛石工具，有著廣泛的、實際的指導意義，對提高粉末冶金制造金剛石工具的性能有著重大的促進作用。“金屬合金對金剛石的焊接(粘結)技術”獲1987年國家發(fā)明三等獎。

　　五、金屬粘結金剛石拉絲模

　　當時我國的天然金剛石拉絲模的制造工藝都是使用熱塑性形變的銅，把天然金剛石胚體嵌鑲在不銹鋼拉絲模內腔中，金剛石胚體與銅之間沒有冶金的焊接(粘結)力，當拉撥的金屬絲通過金剛石內孔進行拔絲時對金剛石產(chǎn)生很大的內脹力，金剛石承壓能力很大，但抗脹力不大，拉絲模的金剛石很容易被脹裂而報廢。

　　1980年英國DeBeers公司代理商、香港寶利金剛石貿(mào)易公司董事長陳育先生到北京與我接洽合作事宜，他帶著他的客戶天津鉆石工具廠工程師，希望我能幫助解決天然金剛石拉絲模制造的技術難關：研制合金粘結型的金剛石拉絲模，解決金剛石焊接問題。

　　我聽了十分高興，我們己經(jīng)探索出一條焊接金剛石的技術途徑，正好派上用場，所以金剛石拉絲模成了該技術實際應用的第一個產(chǎn)品。

　　我們在通常使用的W-Cu-Pb系合金胎體中添加了適量 Ti , 先將所述合金粉末在適合尺寸的鋼模中冷壓制成粉體，將拉絲模金剛石胚塊與所述粉體置于尺寸相應的拉絲模不銹鋼內腔中，通過熱壓而成金剛石拉絲模胚塊，最后經(jīng)過對金剛石內孔的研磨成型，獲得金剛石拉絲模制成品。這時拉絲模金剛石己被含Ti的W-Cu-Pb合金焊接牢固，稱之為粘結型金剛石拉絲模，以有別于先前工藝制造的拉絲模。

　　成品金剛石拉絲模是在天津市鉆石工具廠、南昌國營746廠協(xié)作下進行，并在若干綱絲生產(chǎn)廠進行拉絲模的實用考核。結果表明：由于Ti 的加入，使合金胎體與天然金剛石之間產(chǎn)生了冶金焊接(粘結)，拉絲模金剛石內腔雖經(jīng)數(shù)萬米綱絲的拉拔，因金剛石己被合金胎體強固的嵌鑲并粘結住而不松動，直到拉絲模中天然金剛石內腔磨損變形，但金剛石不被脹裂。

　　實用考核分別在北京鋼絲廠、天津市整流器廠、江西贛州鎢鉬材料廠等進行，當拉絲模金剛石內腔己經(jīng)磨損變形，但因金剛石被冶金粘結牢固而未開裂，所以可以再重新修模，使內腔尺寸增大到上一級拉絲模尺度。擴修后金剛石拉絲模和新模子一樣，又可以拉撥相近數(shù)量的鋼絲。一個拉絲?？梢灾貜托弈?至5次。這樣，粘結型的拉絲模一個可以頂3至5個拉絲模使用，數(shù)倍地提高了金剛石拉絲模的壽命。
1982年經(jīng)同行專家鑒定，認為研制的合金粘結型金剛石拉絲模是天然金剛石拉絲模制造技術的一大進步，數(shù)倍提高了拉絲模的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本?？晒?jié)省大量外匯，以當時我國需求天然金剛石拉絲模約10萬只計算，可節(jié)省4000萬元。

　　我所提供天然金剛石拉絲模模芯粘結金屬合金粉體壓塊，供給國內許多天然金剛石拉絲模廠制造合金粘結型金剛石拉絲模，或把我所制造粘結型金剛石拉絲模的專利技術轉讓給生產(chǎn)廠，推動了我國天然金剛石拉絲模生產(chǎn)技術的更新?lián)Q代。該產(chǎn)品獲得北京國際博覽會金獎。

　　六、金剛石表面金屬化模型

　　既然我業(yè)已揭示了添加強碳化物形成元素于Cu、Ag等低熔合金中，以改善合金對金剛石的浸潤性和焊接性的物理機制在于合金與金剛石的結合界面反應生成牢固地附著在金剛石母體上的相應的碳化物層，合金正是通過對該碳化物層的浸潤與焊接，而實現(xiàn)對金剛石的粘結。我開始設想可否在天然金剛石晶體表面造就一層碳化物層，賦予金剛石表面以金屬的特性，而后金剛石就可以為一般釬焊合金所焊接。這就是金剛石表面金屬化的設想。

　　1982年我受我國政府派遣到美國濱洲大學作為訪問學者，我的合作者R.A.Quiny教授是一個力學家，我們合作題目是金剛石--金屬復合材料力學性能的研究，他稱我是冶金材料學家，有關材料方面的實驗配制他基本上不參與。

　　我所在的機械工程系實驗室設備十分完善，我利用離子濺射儀、金屬蒸發(fā)沉積儀等設備，在金剛石晶體表面造就了若干種強碳化物成元素膜，或其合金膜，然后將其置于高真空爐中，在一系列的熱溫條件下，進行熱處理，繼而觀察、分析金屬合金膜與金剛石之間的作用反應。借助X-光結構分析儀、掃描電鏡、透射電鏡、場離子顯微鏡等多種分析手段，對金剛石與合金之間的界面結構作了詳盡的分析，并制備各種分析試樣，在精確的力學性能測定儀上檢測不同材料、不同條件下獲得表面金屬化金剛石焊接強度，及其與金屬合金復合材料的抗斷裂強度。

　　通過上述系統(tǒng)的研究，1984年我提出了“金剛石表面金屬化模型”。即在金剛石晶面上造就三層結構，從金剛石晶面向外依次：
第一層：碳化物層，是由強碳化物形成元素與金剛石表面反應生成的相應碳化物，而又牢固地附著在金剛石母體上，其厚度約幾微米。這時可以講金剛石表面己“碳化物化”了，也是金剛石表面金屬化的核心環(huán)節(jié)。但各種碳化物焊接性不是很好，有的碳化物不為常用釬焊合金所焊接。

　　第二層：合金化層，在上述金剛石表面涂覆一層如Cu-Ni-Co合金膜，在溫度略高于該合金的熔點下，使合金膜熔鍍在碳化物層上，其厚度約十微米。這樣，金剛石表面完全金屬化了，可以為一般釬焊合金所焊接(粘結)

　　第三層：電鍍Ni層，厚度約10至20微米。其作用在于緩沖金剛石顆粒與金屬合金胎體之間因線膨脹系數(shù)的很大差異而造成的內應力。
以上述模型為核心，我從美國向剛成立的中國專利局提出了發(fā)明專利申請，專利名稱為“金剛石表面金屬化技術”。1985年獲得了中國第一批發(fā)明專利，專利號：85100286。“金剛石表面金屬化技術”發(fā)明專利的公布，得到同行業(yè)人廣泛的重視，引發(fā)了國內對金剛石表面的改性、金剛石表面金屬化、金剛石表面涂覆、金剛石釬焊等技術的研究熱潮，對提高我國金剛石和金剛石工具的水平起了很大的推動作用。金剛石表面金屬化技術獲機械工業(yè)科技進步三等獎。

　　七、釬焊金剛石工具

　　金剛石表面金屬化后的金剛石顆粒表面已具有金屬的特性，如可焊性和導電性等。我開始想可否把表面金屬化的金剛石顆粒參照熱噴涂焊技術把金剛石顆粒噴涂焊到鋼基體的表面上，以制成各種表層金剛石工具。由于其金剛石磨粒已被合金所冶金焊接，這種金剛石工具比一般電鍍金剛石工具應有更好的耐磨性和磨削性能。經(jīng)過多次試驗，獲得成功。

　　1986年北京市長城風雨衣廠從美國引進了一套布料裁剪機，所配置的金剛石磨刀輪結構特別，用一般粉末冶金方法制造的金剛石磨輪，不鋒利。用電鍍的金剛石磨刀輪，金剛石顆粒易脫落。我采用“熱噴涂焊”技術，1986年下半年提供一批金剛石磨刀輪，經(jīng)試用，性能可與進口的美國磨刀輪相比美。此后，我所常年向該廠供貨。

　　1988年應長春第一汽車制造廠的要求，我又用“熱噴涂焊”技術試制了一系列成型金剛石磨頭，用以磨削硬質合金模具內腔，每年為該廠的工具分廠供貨500件以上。此后我用“熱噴涂焊”技術試制了多種金剛石工具：什錦銼、玉器磨頭、線鋸等，均顯示出其獨特的磨削性能。

　　1982年中國機械工程學會粉末冶金分會成立二十周年年會在北京市懷柔縣召開，我做了“熱噴涂焊技術制造金剛石工具的研究”報告，引起了與會同仁的極大興趣。

　　九十年代，北京航空學院，蘇州砂輪廠等單位研究成功釬焊制造金剛石工具技術，在國內金剛石工具界引起了研究釬焊金剛石熱潮。此后發(fā)現(xiàn)我所稱謂的“熱噴涂焊接技術”，就是釬焊金剛石技術。2004年我在工業(yè)金剛石刊物上發(fā)表了“釬焊單層金剛石工具的工藝研究”。

　　八、預言了CVD金剛石薄膜與生長襯底結合界面物理機制的規(guī)律性

　　1989年，國家863計劃CVD金剛石薄膜專題首席專家蔣翔六來北京大學，拜訪北京大學物理系高巧君教授，希望協(xié)作開展CVD金剛石薄膜與生長鉬襯底之間界面的物理結構。我正好在北京大學物理系與高巧君教授合作，研究我申報國家自然科學基金項目“金剛石表面金屬化物理機制的研究”，便一起接待蔣教授。蔣教授提出請協(xié)作分析CVD金剛石薄膜與生長襯底結合界面物理結構，經(jīng)過對CVD金剛石薄膜生長條件的熱工分析，發(fā)現(xiàn)在該熱工條件下CVD金剛石薄膜與襯底之間結合面的物理結構正是我研究的金剛石表面金屬化結合界面的逆物理過程。

　　我1985年申報獲得的發(fā)明專利“金剛石表面金屬化技術”，其要點是在金剛石表面附著一薄層含有強碳化物形成元素合金，在800至900C真空或適當保護氣氛中，在金剛石與合金膜的界面上將形成相應的碳化物層而牢固地附著在金剛石母體上。CVD合成金剛石是在氫氣-甲烷的氣氛中，通常以Si、W、Mo為襯底在900℃左右溫度下，在襯底上可獲得多晶金剛石膜層。在此熱溫條件下生成的金剛石膜必然與強碳化物形元素Si、W、Mo形成碳化物界面：SiC、WC、MoC等。

　　雖然我們當時沒有涉足CVD金剛石薄膜的研究，我們卻向蔣翔六教授預言：在以強碳化物形成元素：Ti、Zr、Cr、V、W、Mo、Si、Ta、Nb、Ha作為襯底，生成的CVD金剛石薄膜與襯底之間的結合界面，無一例外地將是其相應的碳化物。

　　為了驗證我的這種預言,高巧君教授將她在美國濱洲大學研究場離子顯微鏡觀察針尖狀金屬樣品時所采用的制備針尖狀金屬絲的方法傳授給蔣翔六教授，請他備齊上述十種強碳化物形成元素針尖絲，并在針尖上合成CVD金剛石膜，由我們對其界面進行分析研究。蔣教授一個月內，據(jù)說是手捧十種金屬共30根尖上長著CVD金剛石膜的樣品盒，送到北京大學物理系。

　　透射電鏡對針尖狀的金屬-CVD 金剛石薄膜有充分的穿透性，于是上述10種樣品都獲得完整的透射電鏡的衍射環(huán)，其中相應的碳化物衍射環(huán)十種樣品均清晰顯現(xiàn)，證實了我們對該規(guī)律性預言的正確性。在1994年同行專家鑒定會確認：雖然當時國外有以Si、Mo為襯底生長金剛石薄膜，分析到其結合界面存在SiC、MoC的結果，但最早做出上述規(guī)律性論述的當屬我和高巧君教授。

　　這個規(guī)律性的發(fā)現(xiàn)對CVD金剛石薄膜的研究有著指導和實用的意義在于，人們實際常用的是上述10種強碳化物形成元素金屬作為CVD金剛石薄膜生長襯底，依據(jù)我們揭示的上述規(guī)律性，生成的CVD金剛石薄膜與襯底之間的結合界面反應生成其相應的碳化物。所以CVD金剛石薄膜可以視同于生長在相應的碳化物上，研究者應該考慮所用襯底的相應碳化物和金剛石晶格結構的近似性。

　　我們申報的該項目“CVD金剛石薄膜與生長襯底結合界面物理機構的研究”, 1991年獲機械工業(yè)部科技進步(應用基礎研究)二等獎。
林增棟、高巧君和彭曉芙也因而卷入了CVD金剛石薄膜研究的熱潮，完成了國家自然科學基金項目：“熱絲金剛石薄膜生長過程的研究”、“強碳化物形成元素襯底上生長金剛石薄膜物機制的研究”、“CVD納米金剛石薄膜生長的研究”、“CVD法生長金剛石薄膜直熱絲結構的研究”。

　　1992年北京大學物理系與北京市粉末冶金研究所協(xié)議在北粉所共建CVD金剛石薄膜研究試驗室。我與印紅羽教授高工、彭曉芙工程師繼續(xù)開展了CVD金剛石薄膜的研制與應用工作，還承擔了北京市科委下達的重大成果推廣應用項目：金剛石超硬材料刀具的研制與生產(chǎn)應用。

　　我現(xiàn)在已75歲了，也是我在金剛石科技領域奮斗的50年?，F(xiàn)在我承擔了行政職務，但仍興趣盎然地參與不斷更新的金剛石工具的研制，因為金剛石領域灑滿了我五十年汗水。