金刚石表面镀覆金属的性能研究_张凤林

(a) 盐浴镀 Ti
( b) 化学镀 Ni
( c) 化学镀 Cu 图 2 镀覆金属后的金刚石表面形貌
( 3) 镀层界面结构分析 图 3 所示为盐浴镀 T i、化学镀 Ni 金刚石颗粒断 裂后表面镀层结构的 SEM 图像。由图可见, T i 镀层 与金刚石的界面不明显, 界面处结构致密; 而 Ni 镀 层与金刚石之间界面十分明显, 而且因观察前金刚 石颗粒被断裂破坏, 因此镀层与金刚石之间存在剥 离现象。 由于盐浴镀 T i 是通过金刚石与 T i 发生反应形
9 Arno Behrens, Michael P Witzak. Integrating fuzzy technology in EDM process control. ISEM- Û , 1995 第一作者: 秦 勇, 在读博士研究生, 山东大学机械工 程
学院, 250061 济南市 编辑: 张 宪
( 2) 用酒精和丙酮去除金刚石表面的油污, 用混 合酸( 浓硝酸+ 浓硫酸) 对金刚石表面进行粗化, 再 进行敏化、活化及还原处理后, 分别放入 Ni 镀液和 Cu 镀液中, 经过一定时间后即可在金刚石表面镀覆 一层 Ni 和 Cu。
( 3) 采用 Y-4QX 射线衍射仪对盐浴镀 T i 和化学 镀 Ni、Cu 的金刚石进行 X 射线衍射分析。
2002 年第 36 卷 l 1
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金刚石表面形貌、镀层结构特点以及金刚石的抗压 强度和抗高温热蚀能力。
2 试验方法
( 1) 将 45# 人造金刚石与金属 Ti 粉混合, 并用 NaCl 和 BaCl 的混合盐以及少量硼砂和硅铁粉混合 后覆盖其上, 用陶瓷坩埚加盖后在箱式电阻炉中以 1000 e 温度保温 1 小时, 再用热水去掉混合盐, 即可 得到镀 Ti 的金刚石。
Keywords: diamond, sal-t bath plating, electroless plating, compression strength, capability of hea-t etching resist an ce
1 引言
金刚石材料具有高硬度、高抗压强度、高耐磨性 以及优异的导热性和电绝缘性, 已广泛应用于工具、 磨具领域( 如金刚石锯片、金刚石砂轮、金刚石磨头 等) 。金刚石工具、磨具通常采用将人造金刚石颗粒 与金属、陶瓷、树脂等结合剂镶嵌在一起的方式来实 现对工件的加工, 但由于金刚石与大部分金属、陶瓷 甚至树脂均具有较高的界面能, 使金刚石与基体的 结合力较差, 容易造成金刚石早期脱落。据统计, 在 金刚石工具的使用过程中, 只有约 10% 的金刚石真 正发挥了切削作用。因此, 改善金刚石与基体的结 合强度是提高金刚石工具加工效率和使用寿命的关 键因素。目前国内外一般采用在金刚石表面镀一层
望 . 电加工, 1997( 3) 6 周延佑. 国产数控 系统的 特点和 机床数 控化改 造的 迫切
性 . 制造技术与机床, 1999( 6)
7 赵万生, 王振龙, 郭 东明等. 国 外特种 加工 技术的 最新 进 展. 电加工, 1999( 5)
8 ESPRIT Ó OSACA. Open system architecture for controls within automation systems. OSACA Final Report, 1996( 5)
3 试验结果与分析
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
( 4) 采用 PHILIPS XL- 30FEG 扫描电子显微镜观 察盐浴镀 Ti 和化学镀 Ni、Cu 金刚石的表面形貌以 及颗粒断裂后的镀层结构。
( 5) 分别测试未镀覆金刚石和已镀覆金属金刚 石的表面抗压强度( 40 粒为一组) 。将金刚 石放入 无保护气氛、温度 800 e 的炉中一定时间, 采用精确 到 011mg 的电子分析天平称量金刚石的重量, 通过 测试金刚石的烧损量确定其抗高温热蚀能力。
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
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工 具技 术
金刚石表面镀覆金属的性能研究*
张凤林 魏 昕 王成勇
广东工业大学
摘 要: 对人造金刚石表面进行盐浴镀 Ti 和化学镀 Ni、Cu 处理后, 用 SEM 观测镀后金 刚石的表 面形貌及镀 层 界面, 并测试分析了镀后金刚石的抗压强度和抗 热蚀能力。结果表明, 盐浴 镀 T i 的 镀层与金刚 石的结合 界面比 化 学镀层更为致密; 经化学镀后的金刚石抗压强度 明显提高, 镀 Ti 和镀 Ni 的金刚石抗热蚀能力较好。
关键词: 金刚石, 盐浴镀, 化学镀, 抗压强度, 抗热蚀能 力
Research on Performance of Meta-l plated Diamonds
Zhang Fenglin Wei Xin Wang Chengyong
Abstract: The morphology of plated diamond and the interface of plating layer and diamond are examined by SEM after the diamonds were treated with sal-t bath T-i plating and electroless Ni and Cu plating. The compression strength and the capability of hea-t etching resistance of the diamonds are measured and analyzed. The results show that the interface of diamond and sal-t bath plating layer is closer than those of elecrtoless plating metal layer. The compression strength of electroless plating diamond is increased obviously, and the hea-t etching resistance of T-i plating and the N-i plating diamonds are better than Cu- plating diamond.
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工 具技 术
成 TiC, 再在其外层形成 T i 镀层[ 6] , 镀层与金刚石之 间的结合为冶金结合, 因此镀层致密, 且与基体的结 合强度很高。而化学镀的原理是在金刚石表面形成 均匀的还原中心 Pd, 并在镀覆过程中以 Pd 为核心 形成镀层, 因此在化学镀过程中镀层与金刚石之间 并未形成冶金结合。
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由表 1 可知, 经盐浴镀 Ti 后金刚石的抗压强度 比镀前略有降低; 而经化学镀 Ni 和 Cu 后金刚石的 抗压强度则比镀前有较大提高, 其中镀 Ni 和镀 Cu 的金刚石抗压强度分别提高了 40% 和 55% 。盐浴 镀T i 后金刚石的强度降低可能是因为试验时金刚 石在高温( 1000 e ) 中处理时间过长, 对金刚石造成 了一定损伤引起的。有关文献中曾有采用盐浴镀 Ti ( 或 W) 后金刚石抗压强度提高的报道, 但强度提高 幅度很小。由于盐浴镀时熔盐温度很高, 不可避免 会对金刚石造成损伤, 因此采用盐浴镀难以大幅度 提高金刚石的抗压强度。用于化学镀 Ni 和 Cu 的低 品级金刚石表面分布着许多缺陷和表层裂纹, 在化
( a) 盐浴镀 Ti
学镀过程中, 由于具有缺陷和裂纹的表面存在比平 滑表面更多的还原中心, 因此在缺陷和裂纹处可获 得更厚的金属镀层, 这在一定程度上对金刚石表面 的缺陷起到了弥和作用, 从而使其抗压强度得到较 大提高。
º对抗高温热蚀能力的影响 图 4 为未镀金属与分别镀覆 Ti、Ni、Cu 的金刚 石的抗高温热蚀能力对比情况。由图 4 可见, 镀覆 金属后的金刚石在高温( 800 e ) 下的抗热蚀能力比 未镀金属的金刚石有较大幅度的提高, 这主要是由 于镀覆的表面金属层在高温下可对金刚石起到保护 作用。对三种镀覆不同金属的金刚石进行比较, 可 以发现: 盐浴镀 T i 的金刚石抗热蚀能力最好, 化学 镀 Ni 金刚石的抗热蚀能力次之, 化学镀 Cu 金刚石 的抗热蚀能力最差。这是由于盐浴镀 T i 金刚石的 镀层与金刚石之间能形成冶金结合, 可实现对金刚 石基体的有效保护; 而化学镀 Cu 金刚石的表面镀层 比较疏松, 在高温下氧化严重, 而且在某些部位有未 镀金刚石露出, 因此其抗热蚀能力较差。因此, 镀T i 及镀 Ni 的金刚石可获得较好的抗高温热蚀能力。