镀覆金刚石技术的研究进展
金刚石表面真空盐浴镀覆金属的试验研究
在真空条件下, 将对金刚石有活性的金属或合金 加温呈熔融状态而浸润金刚石表面, 并在毛细管力作
多数熔剂为氯化物, 也可以采用高溶点的有机脂 肪酸。熔剂既不能过多, 亦不能过少。过多则在镀覆过 程中真空度很难提高, 并且会污染真空泵; 过少则镀覆 效果很差。 112 保温时间 在真空盐浴镀覆中选定了镀覆金属、 盐的类型、 添 加量及确定了合适的温度后, 根据对镀层的要求, 确定 合适的保温时间。 一般说来, 随着保温时间的延长, 镀 层厚度增加, 镀层与金刚石的结合强度也增加, 而后镀 层厚度增加缓慢, 时间过长金刚石 C 原子与镀覆金属
表 1 金刚石表面镀覆金属前后的强度 金刚石种类 未镀金刚石 镀覆 Cu C r 金刚石 镀覆 T i C r 金刚石
700 ℃保温 1 h 750 ℃保温 1 h 700 ℃保温 1 h 750 ℃保温 1 h
图 3 镀覆 Cu C r 金刚石的 X 射线衍射图 (750 ℃)
镀覆工艺
金刚石单粒抗压 强度 N ・粒- 1
分析, FFT 变换的结果必然不一致, 有缺陷部位的频谱 曲线是多峰的, 且主频向低频方向漂移。 312 声波透射法对缺陷的判据 判据是一个很重要的问题。 我们由检测管的孔底 至孔口, 测取了许多声波在桩身中的传播时间 t ( 或传 播速度 C ) , 接收信号首波波幅 A 、 接收信号的频谱曲线 或主频 f 0。 这些声参量又都和混凝土的缺陷有关。 问题 是声学参量 C、 、 , 变化到什么程度 , 方可由其对缺 A f0 陷作出判断。 这里我们引用 “基桩低应变动力检测规程” 中声波 透射法的有关判据。 31211 声时或声速判据 采用声时平均值 Λt 与声时 2 倍标准差 Ρt 之和作为判定桩身有无缺陷的临界值: Λt = 2 tei n
金刚石化学镀Cu_Ni_P工艺的研究
化学镀 N i-Cu-P 合金的沉积机理是利用次亚 磷酸盐做还原剂, 使镍离子和铜离子被还原成镍和 铜原子, 次亚磷酸盐发生歧化反应析出磷, 在具有 催化表面的镀件上获得 N i- Cu- P 合金的沉积层。 镀速的测定用称重法。相关化学反应式为:
34
金 刚 石 化 学 镀 Cu - N i - P 工 艺 的 研 究
保护了金刚石 ( 见图 5d) 。金刚石上铜 -镍 -磷镀层 在 900 e 高温氧化后的 X 射 线衍射分析表明, 合 金层氧化为氧化铜和氧化镍, 可见即便是 900 e 高 温下, Cu-N i-P 层也可很好地保护金刚石。上述分 析表明, 在相同的温度和升温条件下, Cu-N i- P 合 金层的抗氧化能力明显优于镀 N i- P 合金层。
1试 验
1. 1 化学镀 Cu-N i-P 基础配方及工艺条件
硫酸铜 硫酸镍 次磷酸钠 柠檬酸钠 氯化铵 硝酸钾 pH 值
65~ 95 m g /L 15~ 40 g /L 15~ 30 g /L 5~ 20 g /L 15~ 30 g /L 12~ 35 m g /L 4. 5~ 7. 6
[收稿日期 ] [基金项目 ]
金刚石表面化学沉积 Cu-N i- P 合金后的形貌 见图 5a。在 60 m in内将试样从室温升到 700 e 、 并恒温 10 m in, 对镀覆合金的金刚石高温氧化后进 行测试。通过扫 描电镜 ( SEM ) 可以观察 到镀镍 磷层的金刚石面和角被破坏, 而镀铜-镍 -磷层的金 刚石的角和面都未发生热腐蚀 ( 见图 5b和图 5c) 。 X射线衍射分析化学镀铜 -镍 -磷层在 700 e 高温 氧化后的物相 ( 见图 6) 可知, 铜和镍已被氧化成为 CuO 和 N iO, 说明高温下金属层被氧化, 可以有效 地保护金刚石, 防止本体被氧化。在 900 e 下, 在 60 m in内从室温升到 900 e , 恒温 10 m in条件下, 镀铜 -镍-磷金刚石的角和面都没有被破坏, 金刚石 表面的合金层被氧化, 表明 Cu-N i-P 合金层有效地
金刚石表面真空镀镍的工艺分析
金刚石表面真空镀镍的工艺分析摘要：为对金刚石表面真空镀镍影响因素探索，本文采用多种工艺对金刚石进行表面真空镀镍。
实验数据表示，使用真空镀镍方法，金刚石强度没有受到影响，而且镀层与金刚石紧密结合，具有较强耐酸腐蚀性，金刚石表面构成耐腐蚀性较强的形成镍层，可以作为电镀金刚石线原材料使用。
旨在拓宽未来金刚石应用范围，为我国经济发展提供工业基础。
关键词：金刚石；真空镀镍；工艺前言：目前电镀金刚石普遍使用化学镀镍磷合金,但是化学镀会受到自身复杂步骤影响，难以有效控制金刚石镀镍效果。
而且在化学镀中还使用对环境造成严重污染的重金属辅助作业，无法实现金刚石镀镍长远发展。
而金刚石真空镀镍在真空环境下，借助活性剂，将金属粉末附着在金刚石表面，从而形成金属层。
因为操作方法简单，生产过程大大降低环境污染，成本较低，目前正在成为金刚石表面镀镍的重要研究对象。
1实验材料本文采用市面常见单晶3型料金刚石微粉作为试验材料，中心粒径与峰宽分别为7.513微米、3.228微米，并使用纯度99.5%的200目雾化镍粉作为真空镀镍材料。
将乙酸镍、乳酸等分析纯试剂混合后充分研磨，最后加入金刚石微粉混合。
其中，镍粉、乙酸镍等作为金刚石表面真空镀镍的镍源供给，而作为络合剂的乳酸则负责缩短镍元素在金刚石覆镀效果，加入氧化铝则是避免金刚石在镀镍过程中，出现板结现象，影响镀镍效果[1]。
2金刚石表面真空镀镍的工艺分析2.1粒度与镀覆粘连检测化学与真空镀覆都会出现连晶现象，但是连晶会影响电镀金刚石线使用质量，所以要对金刚石表面镀覆厚度进行检验，确保薄厚均匀，连晶情况少。
本文使用电阻测试法，借助位度分析仪完成粒度分析，对比金刚石镀覆前后峰型、峰宽，判断在镀覆作业后存在多少连晶金刚石[2]。
经过实验后，可以发现在镍源含量增加，在进行镍元素镀覆后，金刚石粒度明显增加，出现明显粘连情况。
而在镍源含量固定的情况下，络合剂含量增加，镀覆后的金刚石粒度有效降低。
金刚石表面镀覆金属的性能研究_张凤林
经盐浴镀和化学镀后, 几乎 100% 的金刚石均被 镀覆上金属, 表明这两种金属镀覆工艺是可行和成功 的。盐浴镀 Ti 的金刚石表面呈灰黑色; 化学镀 Ni 的 金刚石表面呈亮银色, 镀 Cu 的金刚石表面呈红色。
( 1) X 射线衍射分析 用 Y-4Q 型 X 射线衍射仪测得的镀覆金属后金 刚石 X 射线衍射图谱如图 1 所示。由图可见, 盐浴 镀 Ti 的金刚石出现了 TiC 的衍射峰, 表明 T i 与金刚 石通过 TiC 形成了化学冶金结合。化学镀 Ni 和 Cu 的金刚石上都有 Ni 和 Cu 的衍射峰出现; 镀 Ni 金刚
图 1 镀覆金属后金刚石 X 射线衍射图谱
石的表面镀层大多为非晶 Ni, 由于 Ni 层较厚, 所以 金刚石的衍射峰很弱。
( 2) 镀层表面形貌分析 图 2 为 用 PHILIPS XL- 30FEG 扫描电 子显微镜 观察到的镀 T i、镀 Ni 和镀 Cu 金刚石的表面形貌。 由图可见, 盐浴镀 Ti 和化学镀 Ni 的金刚石表面镀 层致密均匀, 而化学镀 Cu 的金刚石表面镀层较为疏 松, 且存在未镀覆部位, 这是由于 Cu 镀层较薄且易 氧化, 引起镀层剥落, 导致镀层表面结构疏松。
( b) 化学镀 Ni
图 3 镀层与金 刚石的界面结构
( 4) 盐浴镀和化学镀对金刚石性能的影响 ¹ 对抗压强度的影响 表 1 为盐浴镀 T i 和化学镀 Ni、Cu 金刚石颗粒 的抗压强度对比情况。
表 1 单颗粒金刚石抗压强度对比情况
金刚石状态 镀前 盐浴镀 Ti 化学镀 Ni 化学镀 Cu
抗压强度( kgf) 6
* 广东省自然科学基金资助项目( 项目编号: 990142) 广东工业大学青年基金资助项目( 项目编号: 992034)
金刚石表面覆膜的方法及应用
金刚石表面覆膜的方法及应用一、化学气相沉积法化学气相沉积（CVD）是一种常用的金刚石表面覆膜方法。
该方法利用含碳气体（如甲烷、乙炔等）在一定条件下发生化学反应，生成金刚石薄膜。
CVD法具有沉积温度低、薄膜质量高等优点，但制备的金刚石膜通常较厚，需要进一步加工以适用于实际应用。
二、物理气相沉积法物理气相沉积（PVD）法是另一种常用的金刚石表面覆膜技术。
该方法通过物理手段（如真空蒸发、离子溅射等）将含碳气体或碳源材料转化为原子态或离子态，然后沉积在基底表面形成金刚石膜。
PVD 法具有较高的沉积速率和较低的制备温度，但制备的金刚石膜较薄，且性能相对较差。
三、热丝化学气相沉积法热丝化学气相沉积（HFCVD）法结合了CVD和热丝技术的优点。
在HFCVD法中，高活性含碳气体在加热的钨丝或镍丝上发生化学反应，产生碳氢自由基或碳离子，并吸附在基底表面形成金刚石膜。
HFCVD 法能够制备高质量的金刚石膜，并具有良好的附着力。
然而，制备过程中需要精确控制热丝温度和气体流量，以保证薄膜质量和沉积速率。
四、激光诱导化学气相沉积法激光诱导化学气相沉积（LCVD）法是一种新型的金刚石表面覆膜技术。
该方法利用激光诱导气体发生化学反应，产生碳氢自由基或碳离子，并在基底表面沉积形成金刚石膜。
LCVD法具有较高的沉积速率和制备温度低等优点，但由于激光诱导过程中可能出现局部过热或光损伤，因此需要优化激光参数以获得高质量的金刚石膜。
五、应用金刚石表面覆膜技术在许多领域具有广泛的应用价值。
例如，在机械领域，金刚石膜可以作为超硬材料应用于刀具、磨料等产品中，提高其使用寿命和加工效率。
在光学领域，金刚石膜具有优异的透光性能和机械稳定性，可用作窗口材料或光电子器件的涂层材料。
此外，金刚石膜在电学、热学、生物学等领域也具有潜在的应用前景。
随着制备技术的不断发展和成本降低，金刚石表面覆膜技术的应用将更加广泛。
金刚石微粉表面镀覆研究进展
金刚石微粉表面镀覆研究进展代晓南;何伟春【摘要】Copper, titanium, nickel, tungsten, molybdenum, silver, etc., are mainly used for diamond surface coating.These coating can enhance the compressive strength of diamond grains, the coefficient of thermal conductivity of grinding tool, service life, increase the binding force between the diamond abrasive and binder.There are a lot of different diamond surface plating processes, mainly included chemical plating, plating, magnetron sputtering, vacuum deposition, etc.Small size of diamond particle is required in grinding fluid, fine grinding and wire saw, so this needs fine grain diamond surface plating, but 5 ~10 μm is the smallest size in the industry at present, and its performance is not very good, so the study of fine grain diamond micro powder coating should be stepped up.%用于金刚石表面镀层的金属主要有铜、钛、镍、钨、钼、银等，不同程度的提高了金刚石颗粒的抗压强度、磨具的导热系数、使用寿命。
金刚石复合镀层的研究
金刚石复合镀层的研究近年来，金刚石复合镀层的研究受到了广泛的关注。
金刚石复合镀层是一种具有高耐磨性和高热导性的复合镀层，具有广阔的应用前景。
本文将从结构、性能、制备工艺以及未来应用等方面阐述金刚石复合镀层的研究，以期促进该领域的发展。
一、金刚石复合镀层的结构金刚石复合镀层的结构主要有三种不同的结构，即金刚石/金属结构、金刚石/陶瓷结构和金刚石/金刚石结构。
在金刚石/金属结构的镀层中，金刚石为主要结构，而金属是加固结构。
在金刚石/陶瓷结构的镀层中，金刚石是主要结构，而陶瓷材料是加强结构。
在金刚石/金刚石结构的镀层中，金刚石是主要结构，金刚石和金刚石之间也有一层薄膜加固。
二、金刚石复合镀层的性能一般来说，金刚石复合镀层具有独特的物理和化学性能，具有良好的热稳定性、化学稳定性、抗腐蚀性、耐磨性和抗冲击性。
金刚石复合镀层具有良好的耐热性，能承受较高的温度，最高可达到3000℃。
金刚石复合镀层具有良好的耐磨性，可以承受大量的机械磨损，寿命可达到数千个小时。
金刚石复合镀层具有良好的抗腐蚀性，能有效防止腐蚀，可以在恶劣的环境中使用。
三、金刚石复合镀层的制备工艺金刚石复合镀层的制备工艺主要有气相沉积法和熔覆法。
气相沉积法是气相化学反应的一种，该方法能在被镀物表面形成致密的金刚石镀层，具有较高的热稳定性和结构稳定性。
而熔覆法则是一种熔融金属的方法，可以在镀层表面形成金刚石/金属结构，这种结构具有较好的抗腐蚀性和抗冲击性。
四、金刚石复合镀层的应用由于金刚石复合镀层具有优良的性能，它在航空航天、汽车、计算机等多个领域都有广泛的应用。
在航空航天领域，金刚石复合镀层能提高发动机的稳定性、使用寿命和效率，并有效抑制发动机的热变形。
在汽车领域，金刚石复合镀层能提高汽车的燃油效率，减少汽车的磨损率，同时还能有效防止汽车受到潮湿环境的侵蚀。
而在计算机领域，金刚石复合镀层能有效提高计算机的稳定性并减少计算机的热效应。
五、未来的发展未来，金刚石复合镀层将在抗腐蚀、防火、防静电等多方面得到更广泛的应用，从而丰富该领域的发展前景。
cvd法制备金刚石薄膜的国内外发展现状及趋势
cvd法制备金刚石薄膜的国内外发展现状及趋势
金刚石薄膜是一种具有极高硬度、抗磨损和耐腐蚀性能的表面涂层材料。
CVD法是制备金刚石薄膜的主要方法之一，其基本原理是在高温高压下，使气相中的碳源分解生成自由基，通过化学反应在基底表面沉积金刚石晶粒。
随着科技的不断发展，金刚石薄膜在多个领域得到了广泛应用，如制造光学透镜、太阳能电池、微机电系统等。
目前，国内外对CVD法制备金刚石薄膜的研究已取得了一定的进展。
国外主要研究机构有美国阿肯色大学、德国马克斯普朗克研究所等；国内则有清华大学、中科院物理研究所等。
在金刚石薄膜的研究方向上，国内外存在一些差异。
国外研究主要集中在提高金刚石薄膜的光学透过率、制备大面积金刚石膜、开发低成本制备方法等方面；而国内则主要关注提高金刚石膜的附着力、制备超薄金刚石膜、研究金刚石膜的力学性能等方面。
未来，CVD法制备金刚石薄膜的研究方向将更加多元化，如在金刚石膜的应用领域上，将会涉及到电子学、生物医学等领域；在制备方法上，将会研究更加高效、环保的制备方式。
同时，随着材料科学和纳米技术的不断发展，人们对于金刚石薄膜的研究也将更加深入。
- 1 -。
镍基钎料真空钎焊镀钨金刚石的研究
镍基钎料真空钎焊镀钨金刚石的研究*王树义1， 肖 冰1， 肖皓中2， 孟祥龙1（1. 南京航空航天大学 机电学院, 南京 210016）（2. 南京工业大学 机械与动力工程学院, 南京 210016）摘要 为减轻镍基钎料真空钎焊金刚石接头的热损伤与残余应力，采用镀钨金刚石磨粒代替常规金刚石磨粒并将其钎焊到1045钢基体上，对钎焊镀钨金刚石接头的连接性能、热损伤程度及残余应力进行深入研究与分析。
结果表明：镍基钎料对镀钨金刚石磨粒展现出良好的润湿性，与钎焊常规金刚石接头相比，钎焊镀钨金刚石接头在结合界面处的裂纹数量及尺寸明显减小。
常规金刚石表面生成了致密有序的板条状Cr 3C 2层，而镀钨金刚石表面则形成了向钎料中生长的无序粒状Cr 3C 2层。
在镀层的隔离保护作用下，钎焊后的镀钨金刚石磨粒表面的石墨化程度更低，力学性能更优异。
同时，镀钨金刚石表面更薄、形貌更合理的Cr 3C 2层有效地缓解了镀钨金刚石接头内部的残余应力，其最大残余压应力相较于常规金刚石的降低9.43%。
关键词 钎焊；镀钨金刚石；连接界面；热损伤；残余应力中图分类号 TQ164 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)02-0202-08DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0134收稿日期 2022-08-23 修回日期 2022-09-29金刚石磨粒因其优异的力学性能，被广泛地应用到磨削工具对硬脆陶瓷等材料的加工中。
其中，钎焊金刚石工具实现了金刚石磨粒−钎料合金−金属基体三者间的高强度化学冶金结合，因此，与传统的电镀、烧结金刚石工具相比，钎焊技术的应用大大提高了金刚石工具的使用寿命与使用性能[1-3]。
使用镍基钎料在真空炉内制作钎焊金刚石工具是目前工业生产中最为普遍、成熟的方案，与铜、银基钎料相比，镍基钎料具有机械强度高、成本低、耐蚀性好、耐磨损等优点[4-5]。
然而，使用镍基钎料对钎焊金刚石接头造成的负面影响不容忽视。
金刚石表面化学镀Ni-P的研究
而沉积外 ，还将 自身部分还原为磷 ，与镍一同沉积到镀
层 中，形成Ｎｉ Ｐ合金镀 层 ． —
０
ｉ ｏ
ＮＳ ， ｉ 的控制 ：提高 主盐 的浓度有利于提高沉积速 Ｏ
；
度， 但其浓度并不是越大越好．在其浓度较低时，随着
ＮＳ ｉ 浓度 的增 大 ，沉积速 度增大 ，当其浓度达到一定 Ｏ
Ａ
图 ６ 镍 镀层与金 刚石 的结合界 面及线扫 描图
高 时，在 施镀过 程中 ，镀槽 中易出现镍 的微粒 ，增加施镀 的催化 核心 ，大大地降低 了镀液 的稳定
２ ）络合剂 的控制 络合剂作 用在于它的缓冲性 ，它 与溶液 中的金属 离子形成络合物 ，使镀 液变得稳 定 ，而 不致 于使 自由的金属 离子迅速与 其它物质形 成沉淀 物 ，致使镀液 失效 ，得不到任何镀 层 ．研 究表明 。 作为缓冲剂 ，络合剂 的加入量 一般控 制在 ３ ／ ． ４ Ｌ ｇ
本实验采 用人造金刚石 ，粒 度为 ８ ， ，． ０１ ｔ １） ．、 Ｎ 、 ，
工艺流程为：除油一粗 化处理一敏化处理一活化处理一还原处理 ． １ ）除油 ：采用碗 陛除油 ，在 １ ｇ ０／ Ｌ的 Ｎ Ｏ ａ Ｈ溶液中煮沸 ３ ｍ ｎ 然后用蒸馏水冲洗 ２～ ３ ， ０ ｉ， 次
除去金 刚石表面的油脂 等污物 ； ２ ）粗化处理 ：用稀硝酸煮 ３ ｒｉ，蒸馏 水洗 ２ ３ ．采用粗 化处理是使金刚石表面形成一些 ０ ｎ ａ ～ 次 微小 的凹面 ，在这些 凹面上金 刚石 的吸附力大 ，有利 于贵金属 离子在该处 的吸附，同时也为以后
限度后 ，随Ｎ Ｓ ｉ 浓度的增 大 ，沉积速度反，将会导致溶液 中游离 的Ｎ 浓度过 Ｏ ｉ
高 ，致 使亚磷酸镍过早地 生成 ，镀液稳定性下降 ．研 究 ｕ 表 明：Ｎ Ｓ ｉＯ 的浓度一般 为 ３ Ｌ ５ ／． ｇ Ｎ Ｐ Ｏ 控制 ：｝－ Ｏ 浓度 的提高 ，有利于提高 － ＴＰ ．Ｔ Ｔ 一 沉积速度和镀层磷含量 ． 但当镀液 中次亚磷酸钠浓度过 性 研究表 明：次亚磷酸钠 的浓度一般 在 ３ ！ ５ Ｌ为宜 ． ｇ
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第18卷第3期 超 硬 材 料 工 程V ol.182006年6月SU P ERHAR D M A T ER IA L EN G IN EERIN GJun.2006镀覆金刚石技术的研究进展¹项 东1,2,李木森1,许 斌2,刘科高2(1.山东大学材料科学与工程学院,山东济南250061;2.山东建筑大学材料科学与工程学院,山东济南250014)摘 要:金刚石工具中存在的把持力不足、颗粒脱落、氧化石墨化等问题,严重影响了工具的使用寿命和效率。
金刚石表面镀覆金属层是解决这一问题的有效方法。
文章对金刚石表面镀覆条件、镀覆原理和形成的镀覆金属化模型进行了讨论,综述了金刚石表面镀覆金属层的技术及其发展,介绍了该领域的最新的研究成果,并分析了它们在实际生产中应用。
关键词:金刚石;镀覆金属层;综述;把持力;化学镀和电镀;真空镀;盐浴镀中图分类号:T Q 164.8;O484.1 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2006)03-0044-06Research progress of techniques of coated diamondXIANG Dong 1,2,LI M u-sen 1,XU Bin 2,LIU Ke-gao 2(1.S chool of M ater ial S cience and E ngineering ,S handong U niver sity ,J inan 250061,China ;2.School of M ater ial S cience and E ngineering ,S hand ong J ianz hu Univ er sity ,J inan 250014,China )Abstract :There are many pro blems in manufacturing diamond tools ,such as lack retention ,g rain shedding ,ox idation and gr aphitization etc .,w hich affect the w orking life and efficiency of the to ols.T he surface coating m etal o f diamond is the effective metho d.T hr oug h discussing the conditio n o f surface coated diamond,the co ating theory and the metalizing m odel ,the techniques and development o f coated diamond are sum med up ,and some new est achievement in this field are intr oduced,and the po ssibility of practical application in production ar e analy zed.Keywords :diam ond ;coated m etal summarizing ;retention ;VD ;salt -bath plating ;electroplating0 引言人造金刚石于20世纪60年代初投入商业生产,随着社会的发展,应用于工业生产中的金刚石数量越来越多。
因此超硬材料作为一个行业,其最大价值环节不在于金刚石材料,也不在于原辅材料,更不是在标准检测工具业,而在于价值含量最大的金刚石制品和立方氮化硼制品领域[1]。
金刚石锯片是各类金刚石制品中用量最大的一类产品。
据国内外统计资料估计,目前世界上工业金刚石50%左右用于制造石材加工工具,其中主要是石材锯片。
锯片的制造和使用涉及超硬材料以及冶金、机械、地矿、建材与建筑业等多个工业部门和学科领域[2～3]。
目前,金刚石锯切和钻机工具多用粉末冶金法生产,烧结温度一般高达900℃,而金刚石在空气中加热到700℃左右时,就开始氧化失重,抗压能力下降;在44¹收稿日期:2006-02-20作者简介:项 东(1964- ),男,山东建筑工程学院材料科学与工程学院副教授,学士,研究方向:超硬材料处理与金属材料应用及检测。
基金项目:国家自然科学基金项目:50371048;503720351000℃以上金刚石会发生石墨化,而在使用过程中发生氧化失重或石墨化等反应会降低工具的加工效率,影响使用效果。
另外,金刚石与大部分的金属、陶瓷等材料之间有较高的界面能,使得金刚石与基体的金属或合金难以有效地润湿,界面结合力较差,其热膨胀系数远远小于金属结合剂的膨胀系数,故在磨削力的作用下极易脱落,从而使磨具的使用寿命大打折扣。
据估算孕镶式金刚石工具中金刚石利用率仅为60%左右,那么,每年有大量的金刚石因脱落而流失于废屑之中,损失巨大。
因此,如何提高金刚石的抗氧化性、防止金刚石在高温下的石墨化及在使用时的脱落,成为提高金刚石工具使用寿命的关键因素。
目前国内外一般采用在金刚石表面镀覆金属的方法来降低金刚石与基体的界面能,并通过该层金属与结合剂形成稳定的化学冶金结合[3～5]。
科学研究与工业实践证明,金刚石表面镀覆不仅在金刚石产品及其制品的发展上,而且在其应用方面都能发挥非常重要的促进作用,并产生巨大的经济和社会效益。
因此,国内外专家们认为金刚石表面镀覆是几十年来金刚石及工具技术领域的重大成就[6]。
1 金刚石表面镀覆的条件、原理、模型及意义表面镀覆指的是利用表面处理技术使其它材料镀覆、沉积、涂覆在超硬磨料表面,使磨料表面发生状态、形状或物理化学方面变化的方法,统称为超硬磨料的表面镀覆。
镀层厚度可从数十纳米至毫米级,镀层材料可以是金属、陶瓷或有机物。
被镀覆的磨粒表面具有了镀覆材料的性质。
镀层与超硬磨粒表面可以是化学键连接,也可以是物理沉积或粘结。
镀层可以是单一材料,也可以是复合材料、合金或是多层复合材料。
1.1 金刚石表面镀覆的条件[1](1)成分条件按金属与金刚石的作用可将金属分成三类:¹石墨化元素:如Fe、Co、Ni等是碳的溶剂,在高温超高压下,此类元素促进石墨转变成金刚石,为触媒元素。
º碳化物形成元素:如Ti、V、Cr、M o、Nb、W等,这些碳化物形成元素及合金在合适的工艺条件下与金刚石中的碳反应形成碳化物,其外延生长在金刚石表面,可实现这些金属与金刚石之间的化学键合。
»不作用的“惰性”元素:Cu、Sn、Zn等低熔点元素及合金是金刚石工具中常用的结合剂成分,但它们与金刚石之间不发生化学反应,与金刚石只有机械地镶嵌在此类结合剂中,易脱落流失。
(2)结构条件为了达到金刚石与金属的冶金结合,只有Ti、V、Cr、M o、Nb、W等强碳化物形成元素才有可能在金刚石颗粒表面形成碳化物层,达到强力冶金结合。
因此,金刚石与金属冶金结合的结构条件是,必须使碳化物层直接外延生长在金刚石上。
(3)工艺条件金刚石表面形成碳化层的过程为原子扩散的过程,需要在一定的温度下较长时间界面反应,因此,碳化物的形成是受原子扩散迁移控制的缓慢过程。
但目前大量应用的热压工艺,其烧结时间很短,T i、V、Cr、M o、W等金属靠热压的温度和时间与金刚石接触反应,不可能形成连续的碳化物层,不能起到有效粘结金刚石的作用。
若烧结之前,对金刚石表面预先金属化即金刚石表面镀覆Ti、V、Cr、M o、Nb、W及合金是非常必要的。
在镀覆过程中,一定的真空、温度、时间条件下使金刚石表面外延生长一可控厚度的碳化物层,使镀层与金刚石镀后即产生化学键合。
作为中间产品,带有镀层的金刚石与结合剂在短时间热压烧结后即可顺利实现金属镀层与结合剂胎体之间的钎焊结合,也就实现了金刚石与结合剂之间的冶金结合。
金刚石与碳化物形成元素反应生成化合物的成分、结构及生成条件:Ti/金刚石:>873K(600℃),T iCCr/金刚石:>873K(600℃),Cr3C2;>1273K (1000℃),Cr7C3W/金刚石:>973K(700℃),WC、W2CMo/金刚石:>923K(650℃),Mo C、Mo2C1.2 金刚石表面镀覆的金属化原理金刚石经表面镀覆处理会使金刚石表面金属化,金刚石表面金属化定义为使金刚石表层具有金属性。
金属性主要指优良的导电、导热性和延展性,金属与合金溶液的优良化学亲和性与浸润性,以及美丽的色泽及其他一些相当好的理化性能(包括可焊性、可烧结性、可电镀性与可加工性在内的工艺性)。
通常金属性的含义由金刚石表面之金属、合金或金属碳化物乃至它们的混合物的性质来确定。
金刚石与金属及复合材料界面结合力主要有: (1)机械结合力(机械镶嵌力),即胎体通过对金刚石的包镶和摩擦而对金刚石起到支持作用。
这种结合力太弱,易造成金刚石过早脱落;(2)物理结合力,主要包括范德华力和氢键力。
这种结合力虽普遍存在,但由于其结合太弱也不能牢固粘结金刚石;(3)化学结45合力,包括离子键、共价键、金属键等。
此种结合力通常可达到几百兆帕,可以有效地粘结金刚石,提高金刚石的使用效率。
在金刚石工具研究中,人们通常都是为了寻找实现这种结合力的方法。
金刚石表面通过物理或化学方法镀覆某些强碳化物形成元素,如W、T i、Cr、V、M o、Nb等过渡金属或合金。
在界面反应时,具有较大原子半径的金属原子不能向金刚石晶格内扩散,而小直径的碳等元素原子则单方向向金属镀层内扩散,由于扩散的浓度梯度,高温下与金刚石表面碳原子发生界面反应,生成稳定的金属碳化物(WC、M oC等),靠近镀层一侧则形成低碳化合物(W2C、M o2C等)。
碳化物一方面与金刚石表面存在较好的化学键合,另一方面又具有防护作用,隔绝与氧的直接接触,防止金刚石高温下被氧化,而且外观平整光滑、较为美观。
这为金刚石表面镀覆金属化提供了物化基础。
1.3 金刚石表面镀覆金属化的模型金刚石表面镀覆金属化晶体模型[1,3,8]如图1所示,金属化表面有三层材料叠合而成。
从内到外,第一层是碳化物层,由强碳化物形成元素在一定条件下与金刚石表面进行反应而生成,一般厚度在几百纳米范围内,牢固地附着在金刚石表面,这层结构对金刚石表面金属化起着关键作用,这种结合称为“化学键合或化学结合”。
第二层为合金化层,是针对碳化层而设计的,它对所生成的碳化物层有极好的粘结性,可以选取Cu、Ni、Co等合金。
合金化层的形成,使金刚石表面呈现完美的金属特性,如:可导电性、可焊接性、可烧结性。
该层的厚度可以是几微米。
第三层是电镀层,主要是考虑到金刚石工具中合金胎体金刚石线膨胀系数的极大差异而设计的,热压后的金刚石固块在冷却中会产生很大的内应力,为了使内应力得到一定程度的缓解,对于刚性较大的胎体,增加几十微米厚的电镀层是非常有益的。