金刚石表面金属化

1、文章编号:1004-2261(200204-062-04金刚石表面金属化吴玉会,李国彬,李长龙,王春芳(河北工业大学材料科学与工程学院,天津300132摘要:主要介绍了金刚石表面金属化原理、模型及作用,以及金刚石表面金属化的几种制备方法:化学镀加电镀、真空物理气相沉积镀、化学气相镀、真空蒸发镀、粉末覆盖烧结镀覆,并对各种镀覆方法的镀覆特征和应用效果作了比较.从应用情况看,真空微蒸发镀覆技术、粉末覆盖烧结镀覆和低温电镀均可以显著提高工具寿命.关键词:金刚石;表面金属化;镀层中图分类号:TG13515文献标识码: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金刚石表面金属化原理与作用111原理与模型 所示是金刚石表面金属化的模型图1金刚石表面金属化模型Fig.1Model of cladding onto diamond第18卷第4期2002年12月天津理工学院学报JOURNAL OF TIAN JIN INSTITUTE OF TECHN OLOG YVol118No14Dec12002收稿日期:2002-09-24第一作者:吴玉会(1973-,女,硕士研究生112金刚石表面金属化有以下的作用1提高结合剂对金刚石的粘结能力.镀层在两者

5、之间起结合桥的作用,将金刚石与结合剂牢固结合起来,提高磨料与结合剂之间的结合强度.2提高磨料的颗粒强度.镀层起补强、增韧作用,金刚石内部缺陷,微裂纹,微小空洞可通过充填碳化物膜得到弥补,强度提高.3隔离保护作用.在高温烧结和高温磨削时,镀层可以隔离保护金刚石不发生石墨化、氧化及其它化学反应的侵蚀3.2常用镀覆技术目前金刚石表面金属化的常用途径有:化学镀加电镀;真空蒸镀;等离子溅射;磁控溅射;化学气相沉积;物理气相沉积;机械包覆等.211化学镀后再电镀化学镀是在不通电流的情况下,通过自催化过程的氧化-还原反应在金刚石表面沉积金属.金刚石是绝缘体,不能进行电镀,但经过敏化、活化和化学镀后,其表面具

6、有金属性,可以继续电镀,获得所需的镀层品种及厚度4.其工艺流程方框图如图2所示.金刚石表面化学镀和电镀金属镀层在900空气气氛中对金刚石有良好的高温保护作用,在1050时,空气中的氧将穿透镀层与金刚石表面碳原子发生氧化反应,使金刚石受到严重的热腐蚀;金刚石表面化学镀和电镀金属镀层在900真空中受热时,与未镀覆金刚石类似,只受到微弱的热腐蚀,而在1050时,由于化学镀层中的Ni、Fe等合成金刚石的触媒元素的存在,金刚石反而受到较强的热腐蚀1.金刚石清洁粗化与亲水化处理漂清敏化-活化(胶体钯直接活化法漂清解胶与还原处理漂清化学镀Ni电镀Ni-Co化学镀Ni+电镀Ni-Co覆层图2金刚石表面化学镀2

7、电镀覆层金属化实验过程示意图Fig.2Process of electroless2electroplateimg on diamond金刚石的化学镀和电镀产品一般用于树脂结合剂磨具,增加了颗粒表面的粗糙度,提高了树脂对磨粒的把持力,同时镀后金属可弥补颗粒内部缺陷(在常温常压下,金刚石呈亚稳态晶体,具有解理性其表面有裂纹、气孔、杂质等缺陷,提高颗粒强度,缓冲热冲击.但金刚石表面化学镀Ni、Co、Cu不适用于金属结合剂工具,即使镀Ni2W、Co2W合金的产品也不能用于金属结合剂工具,因为表面镀Ni的金刚石在制造金属结合剂工具过程中,温度和压力条件处于金刚石热力学非稳定区,作为触媒金属的Ni有可能

8、在此条件下促使金刚石晶格发生逆转变.生产实践中已观察到,用含有大量Ni、Co元素的金属结合剂制造工具,在9001000烧结温度下金刚石表面已严重石墨化.212真空物理气相沉积镀PVD36第4期吴玉会等:金刚石表面金属化化蒸发金属粒子装置,使成膜前千分之几至百分之几的离子被电离成正离子,能量达数百电子伏特.离子轰击使金刚石表面进一步净化,并产生晶向溅射、离子注入、化合物及活性反应等物理化学过程.以研究运用这项新工艺开发的金刚石单晶新品种使膜层耐850900高温,提高金刚石使用效果20%以上5.PVD法用于颗粒状磨料表面镀钛存在以下问题:1单次镀覆量低.真空下从蒸发源高速运动的金属粒子只能沉积到堆

9、积的金刚石表层,不能深入到内部沉积.2因为各类PVD方法镀覆过程中金刚石的温度低于500,达不到钛与金刚石反应形成碳化钛所需的600以上温度,所以镀后镀层与金刚石之间只是物理附着,无化学冶金结合.213化学气相镀CVD化学气相镀是利用气态物质在一定压力、温度、时间条件下,在固体表面上进行化学反应而形成镀层.CVD一般是将被镀金属的气态化合物导入放有镀件的反应室内,与镀件接触发生热分解或化学合成反应而形成镀层.此种方法如果用于金刚石镀Ti,镀层与金刚石发生化学反应,形成了强力冶金结合,单反应温度一般在9001200,损伤金刚石,同时与PVD一样存在反应气相难以渗入堆积的颗粒内部,单次镀覆量低,镀

10、覆成本高的问题. 214真空微蒸发镀真空微蒸发镀的主要技术原理是在每个颗粒周围形成均匀气相环境,从根本上解决了用传统的PVD、CVD方法由于单一物质发射源不能对堆积颗粒状物质单次大批量镀覆的问题,镀层均匀,无漏镀.工艺参数选择在化合物可以稳定生成的温度,又不使金刚石受热损伤的范围(650 750,使化合物在镀覆过程中生成,控制金属沉积速度,促使生成的化合物沿界面扩展,形成完整覆盖金刚石表面的薄连续膜,具有了最高界面结合强度和良好抗结合剂侵蚀能力5.215粉末覆盖烧结镀覆利用高温下使金属粉末与金刚石接触反应,在金刚石表面形成碳化物或金属层,称为粉末覆盖烧结法或固相粉末接触反应法.镀层的形成实际上

11、是粉末中的金属氧化物高温下易挥发并与金刚石表面碳原子发生碳还原反应形成碳化物,这种方法可提高单次镀覆量.但由于反应温度高于850,金刚石受氧化物侵蚀,强度降低,反应受制于碳穿过碳化物层的扩散,镀层极薄,实际使用效果表明对金刚石工具性能改善不明显,往往由于对金刚石的热损伤使工具性能有所下降6.工业化应用效果不好.3各类镀覆方法比较分析表1可以看出:从结合情况看,真空微蒸发镀覆技术、化学气相沉积、粉末覆盖烧结镀覆在金刚石与镀层之间,均可以实现冶金结合;从烧损情况看,物理气相沉积、低温电镀不会造成金刚石的热损伤;单次镀覆能力,真空微蒸发镀覆和粉末覆盖烧结镀覆均可以实现规模化生产;从应用情况看,真空微

12、蒸发镀覆技术、粉末覆盖烧结镀覆和低温电镀均可以显著提高工具寿命.4结论作者进行了复合镀层的研究与开发,并已取得很大成效.金刚石和钛镀层金属间是强碳化物结合,钛镀层和镍之间形成化合物,镍和铜完全互溶,形成固溶体,间接改变了胎体对金刚石的润湿性.研究表明,对金刚石表面实施复合镀覆,可显著提高工具寿命,复合镀覆是值得研究的重要课题.金刚石表面金属化技术的广泛应用,对于提高产品质量、降低生产成本和新产品的开发起到了重要的推动作用.46天津理工学院学报18卷表1各类金刚石镀覆方法的技术特征和应用效果T able1Characteristics and applied results of all kin

13、ds of cladding ways技术特征和应用效果镀覆方法真空微蒸发镀覆技术物理气相沉积化学气相沉积化学镀加电镀粉末覆盖烧结镀覆镀层成分Ti、Mo、W、Cr及相应的碳化物Ti、Mo、W、Cr,镀后无碳化物形成Ti、Mo、W、Cr及相应的碳化物Ni或Ni-W、Co-W合金Ti、Mo、W、Cr及相应的碳化物镀层与胎体结合状态冶金结合物理结合冶金结合机械包覆冶金结合热烧损670750无热损伤<400无热损伤>850严重热损伤<100无热损伤>850严重热损伤适用工具陶瓷结合剂工具陶瓷或金属结合剂工具各类场合树脂粘结剂工具金属粘结剂热压烧结工具单次镀覆能力达8000克拉低低<3000克拉高工业应用效果工具寿命提高30%120%工具寿命提高10%20%未经应用工具寿命提高20%100%工具寿命提高30%150%参考文献:1胡国荣,刘业翔,杨凯华,等.化学镀膜金刚石的高温耐蚀性研究J.金刚石与磨料磨具工程,2000,2(16:3-5.2方啸虎.超硬材料科学与技术M.北京:中国建材工业出版社,1998.3林增栋.金属金刚石的粘结