金剛石表面金屬化

1、文章編號:1004-2261(200204-062-04金剛石表面金屬化吳玉會,李國彬,李長龍,王春芳(河北工業(yè)大學材料科學與工程學院,天津300132摘要:主要介紹了金剛石表面金屬化原理、模型及作用,以及金剛石表面金屬化的幾種制備方法:化學鍍加電鍍、真空物理氣相沉積鍍、化學氣相鍍、真空蒸發(fā)鍍、粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆,并對各種鍍覆方法的鍍覆特征和應(yīng)用效果作了比較.從應(yīng)用情況看,真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)、粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆和低溫電鍍均可以顯著提高工具壽命.關(guān)鍵詞:金剛石;表面金屬化;鍍層中圖分類號:TG13515文獻標識碼:ACladding on diamondW U Y u2hui,L I Guo2bi

2、n,L I Chang2long,W A N G Chun2f ang(School of Material Science and Engineering,Hebei University of T echnology,T ianjin300132,ChinaAbstract:In this paper the theory and model of cladding onto diamond are mainly introduced.In the meantime several fabricated ways are mentioned.These ways include:elect

3、roless2electroplat2 ing,PVD,CVD,the vacuum evaporation plating and power covering plating.We also compared all kinds of ways which are mentioned above.From the view of applied results,the vacuum evapora2 tion plating,power covering plating and the low2temperature electroplating can increase the tool

4、s life2span.K ey w ords:diamond;cladding;plating layers1金剛石表面金屬化原理與作用111原理與模型 所示是金剛石表面金屬化的模型圖1金剛石表面金屬化模型Fig.1Model of cladding onto diamond第18卷第4期2002年12月天津理工學院學報JOURNAL OF TIAN JIN INSTITUTE OF TECHN OLOG YVol118No14Dec12002收稿日期:2002-09-24第一作者:吳玉會(1973-,女,碩士研究生112金剛石表面金屬化有以下的作用1提高結(jié)合劑對金剛石的粘結(jié)能力.鍍層在兩者

5、之間起結(jié)合橋的作用,將金剛石與結(jié)合劑牢固結(jié)合起來,提高磨料與結(jié)合劑之間的結(jié)合強度.2提高磨料的顆粒強度.鍍層起補強、增韌作用,金剛石內(nèi)部缺陷,微裂紋,微小空洞可通過充填碳化物膜得到彌補,強度提高.3隔離保護作用.在高溫燒結(jié)和高溫磨削時,鍍層可以隔離保護金剛石不發(fā)生石墨化、氧化及其它化學反應(yīng)的侵蝕3.2常用鍍覆技術(shù)目前金剛石表面金屬化的常用途徑有:化學鍍加電鍍;真空蒸鍍;等離子濺射;磁控濺射;化學氣相沉積;物理氣相沉積;機械包覆等.211化學鍍后再電鍍化學鍍是在不通電流的情況下,通過自催化過程的氧化-還原反應(yīng)在金剛石表面沉積金屬.金剛石是絕緣體,不能進行電鍍,但經(jīng)過敏化、活化和化學鍍后,其表面具

6、有金屬性,可以繼續(xù)電鍍,獲得所需的鍍層品種及厚度4.其工藝流程方框圖如圖2所示.金剛石表面化學鍍和電鍍金屬鍍層在900空氣氣氛中對金剛石有良好的高溫保護作用,在1050時,空氣中的氧將穿透鍍層與金剛石表面碳原子發(fā)生氧化反應(yīng),使金剛石受到嚴重的熱腐蝕;金剛石表面化學鍍和電鍍金屬鍍層在900真空中受熱時,與未鍍覆金剛石類似,只受到微弱的熱腐蝕,而在1050時,由于化學鍍層中的Ni、Fe等合成金剛石的觸媒元素的存在,金剛石反而受到較強的熱腐蝕1.金剛石清潔粗化與親水化處理漂清敏化-活化(膠體鈀直接活化法漂清解膠與還原處理漂清化學鍍Ni電鍍Ni-Co化學鍍Ni+電鍍Ni-Co覆層圖2金剛石表面化學鍍2

7、電鍍覆層金屬化實驗過程示意圖Fig.2Process of electroless2electroplateimg on diamond金剛石的化學鍍和電鍍產(chǎn)品一般用于樹脂結(jié)合劑磨具,增加了顆粒表面的粗糙度,提高了樹脂對磨粒的把持力,同時鍍后金屬可彌補顆粒內(nèi)部缺陷(在常溫常壓下,金剛石呈亞穩(wěn)態(tài)晶體,具有解理性其表面有裂紋、氣孔、雜質(zhì)等缺陷,提高顆粒強度,緩沖熱沖擊.但金剛石表面化學鍍Ni、Co、Cu不適用于金屬結(jié)合劑工具,即使鍍Ni2W、Co2W合金的產(chǎn)品也不能用于金屬結(jié)合劑工具,因為表面鍍Ni的金剛石在制造金屬結(jié)合劑工具過程中,溫度和壓力條件處于金剛石熱力學非穩(wěn)定區(qū),作為觸媒金屬的Ni有可能

8、在此條件下促使金剛石晶格發(fā)生逆轉(zhuǎn)變.生產(chǎn)實踐中已觀察到,用含有大量Ni、Co元素的金屬結(jié)合劑制造工具,在9001000燒結(jié)溫度下金剛石表面已嚴重石墨化.212真空物理氣相沉積鍍PVD36第4期吳玉會等:金剛石表面金屬化化蒸發(fā)金屬粒子裝置,使成膜前千分之幾至百分之幾的離子被電離成正離子,能量達數(shù)百電子伏特.離子轟擊使金剛石表面進一步凈化,并產(chǎn)生晶向濺射、離子注入、化合物及活性反應(yīng)等物理化學過程.以研究運用這項新工藝開發(fā)的金剛石單晶新品種使膜層耐850900高溫,提高金剛石使用效果20%以上5.PVD法用于顆粒狀磨料表面鍍鈦存在以下問題:1單次鍍覆量低.真空下從蒸發(fā)源高速運動的金屬粒子只能沉積到堆

9、積的金剛石表層,不能深入到內(nèi)部沉積.2因為各類PVD方法鍍覆過程中金剛石的溫度低于500,達不到鈦與金剛石反應(yīng)形成碳化鈦所需的600以上溫度,所以鍍后鍍層與金剛石之間只是物理附著,無化學冶金結(jié)合.213化學氣相鍍CVD化學氣相鍍是利用氣態(tài)物質(zhì)在一定壓力、溫度、時間條件下,在固體表面上進行化學反應(yīng)而形成鍍層.CVD一般是將被鍍金屬的氣態(tài)化合物導入放有鍍件的反應(yīng)室內(nèi),與鍍件接觸發(fā)生熱分解或化學合成反應(yīng)而形成鍍層.此種方法如果用于金剛石鍍Ti,鍍層與金剛石發(fā)生化學反應(yīng),形成了強力冶金結(jié)合,單反應(yīng)溫度一般在9001200,損傷金剛石,同時與PVD一樣存在反應(yīng)氣相難以滲入堆積的顆粒內(nèi)部,單次鍍覆量低,鍍

10、覆成本高的問題. 214真空微蒸發(fā)鍍真空微蒸發(fā)鍍的主要技術(shù)原理是在每個顆粒周圍形成均勻氣相環(huán)境,從根本上解決了用傳統(tǒng)的PVD、CVD方法由于單一物質(zhì)發(fā)射源不能對堆積顆粒狀物質(zhì)單次大批量鍍覆的問題,鍍層均勻,無漏鍍.工藝參數(shù)選擇在化合物可以穩(wěn)定生成的溫度,又不使金剛石受熱損傷的范圍(650 750,使化合物在鍍覆過程中生成,控制金屬沉積速度,促使生成的化合物沿界面擴展,形成完整覆蓋金剛石表面的薄連續(xù)膜,具有了最高界面結(jié)合強度和良好抗結(jié)合劑侵蝕能力5.215粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆利用高溫下使金屬粉末與金剛石接觸反應(yīng),在金剛石表面形成碳化物或金屬層,稱為粉末覆蓋燒結(jié)法或固相粉末接觸反應(yīng)法.鍍層的形成實際上

11、是粉末中的金屬氧化物高溫下易揮發(fā)并與金剛石表面碳原子發(fā)生碳還原反應(yīng)形成碳化物,這種方法可提高單次鍍覆量.但由于反應(yīng)溫度高于850,金剛石受氧化物侵蝕,強度降低,反應(yīng)受制于碳穿過碳化物層的擴散,鍍層極薄,實際使用效果表明對金剛石工具性能改善不明顯,往往由于對金剛石的熱損傷使工具性能有所下降6.工業(yè)化應(yīng)用效果不好.3各類鍍覆方法比較分析表1可以看出:從結(jié)合情況看,真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)、化學氣相沉積、粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆在金剛石與鍍層之間,均可以實現(xiàn)冶金結(jié)合;從燒損情況看,物理氣相沉積、低溫電鍍不會造成金剛石的熱損傷;單次鍍覆能力,真空微蒸發(fā)鍍覆和粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆均可以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn);從應(yīng)用情況看,真空微

12、蒸發(fā)鍍覆技術(shù)、粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆和低溫電鍍均可以顯著提高工具壽命.4結(jié)論作者進行了復合鍍層的研究與開發(fā),并已取得很大成效.金剛石和鈦鍍層金屬間是強碳化物結(jié)合,鈦鍍層和鎳之間形成化合物,鎳和銅完全互溶,形成固溶體,間接改變了胎體對金剛石的潤濕性.研究表明,對金剛石表面實施復合鍍覆,可顯著提高工具壽命,復合鍍覆是值得研究的重要課題.金剛石表面金屬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用,對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和新產(chǎn)品的開發(fā)起到了重要的推動作用.46天津理工學院學報18卷表1各類金剛石鍍覆方法的技術(shù)特征和應(yīng)用效果T able1Characteristics and applied results of all kin

13、ds of cladding ways技術(shù)特征和應(yīng)用效果鍍覆方法真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)物理氣相沉積化學氣相沉積化學鍍加電鍍粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆鍍層成分Ti、Mo、W、Cr及相應(yīng)的碳化物Ti、Mo、W、Cr,鍍后無碳化物形成Ti、Mo、W、Cr及相應(yīng)的碳化物Ni或Ni-W、Co-W合金Ti、Mo、W、Cr及相應(yīng)的碳化物鍍層與胎體結(jié)合狀態(tài)冶金結(jié)合物理結(jié)合冶金結(jié)合機械包覆冶金結(jié)合熱燒損670750無熱損傷850嚴重熱損傷850嚴重熱損傷適用工具陶瓷結(jié)合劑工具陶瓷或金屬結(jié)合劑工具各類場合樹脂粘結(jié)劑工具金屬粘結(jié)劑熱壓燒結(jié)工具單次鍍覆能力達8000克拉低低3000克拉高工業(yè)應(yīng)用效果工具壽命提高30%120%工具壽命提高10%20%未經(jīng)應(yīng)用工具壽命提高20%100%工具壽命提高30%150%參考文獻:1胡國榮,劉業(yè)翔,楊凱華,等.化學鍍膜金剛石的高溫耐蝕性研究J.金剛石與磨料磨具工程,2000,2(16:3-5.2方嘯虎.超硬材料科學與技術(shù)M.北京:中國建材工業(yè)出版社,1998.3林增棟.金屬金剛石的粘結(jié)界