金剛石表面金屬化

1、文章編號(hào):1004-2261(200204-062-04金剛石表面金屬化吳玉會(huì),李國(guó)彬,李長(zhǎng)龍,王春芳(河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)鍍加電鍍、真空物理氣相沉積鍍、化學(xué)氣相鍍、真空蒸發(fā)鍍、粉末覆蓋燒結(jié)鍍覆,并對(duì)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(hào):TG13515文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)院學(xué)報(bào)JOURNAL OF TIAN JIN INSTITUTE OF TECHN OLOG YVol118No14Dec12002收稿日期:2002-09-24第一作者:吳玉會(huì)(1973-,女,碩士研究生已表面金屬化的金剛石晶體,從內(nèi)向外,第一層是生成碳化物層,一般厚度在幾百至上

5、千!,它強(qiáng)固的附著在金剛石表面上.這層的結(jié)構(gòu)完美是金剛石表面金屬化的關(guān)鍵和核心.第二層為合金化層,是針對(duì)生成碳化物層特點(diǎn)而設(shè)計(jì),它對(duì)所生成的碳化物有極好的粘結(jié)性,可以選取Ni、Co、Cu等合金.合金化層的形成,使金剛石表面呈現(xiàn)完美的金屬特性:可導(dǎo)電性、可焊接性、可燒結(jié)性.中層合金化層的厚度可以是幾微米.第三層是電鍍層,主要是考慮到金剛石工具中合金胎體與金剛石線膨脹系數(shù)的極大差異而設(shè)計(jì),熱壓后含金剛石固塊在冷卻中會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,為了使內(nèi)應(yīng)力得到一定程度的緩解,對(duì)于剛性較大的胎體,增加幾十微米厚的電鍍層是非常有益的2.112金剛石表面金屬化有以下的作用1提高結(jié)合劑對(duì)金剛石的粘結(jié)能力.鍍層在兩者

6、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(lái),提高磨料與結(jié)合劑之間的結(jié)合強(qiáng)度.2提高磨料的顆粒強(qiáng)度.鍍層起補(bǔ)強(qiáng)、增韌作用,金剛石內(nèi)部缺陷,微裂紋,微小空洞可通過(guò)充填碳化物膜得到彌補(bǔ),強(qiáng)度提高.3隔離保護(hù)作用.在高溫?zé)Y(jié)和高溫磨削時(shí),鍍層可以隔離保護(hù)金剛石不發(fā)生石墨化、氧化及其它化學(xué)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(xué)鍍加電鍍;真空蒸鍍;等離子濺射;磁控濺射;化學(xué)氣相沉積;物理氣相沉積;機(jī)械包覆等.211化學(xué)鍍后再電鍍化學(xué)鍍是在不通電流的情況下,通過(guò)自催化過(guò)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(jìn)行電鍍,但經(jīng)過(guò)敏化、活化和化學(xué)鍍后,其表面具

7、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(xué)鍍和電鍍金屬鍍層在900空氣氣氛中對(duì)金剛石有良好的高溫保護(hù)作用,在1050時(shí),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(yán)重的熱腐蝕;金剛石表面化學(xué)鍍和電鍍金屬鍍層在900真空中受熱時(shí),與未鍍覆金剛石類似,只受到微弱的熱腐蝕,而在1050時(shí),由于化學(xué)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(qiáng)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(xué)鍍Ni電鍍Ni-Co化學(xué)鍍Ni+電鍍Ni-Co覆層圖2金剛石表面化學(xué)鍍2

8、電鍍覆層金屬化實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.2Process of electroless2electroplateimg on diamond金剛石的化學(xué)鍍和電鍍產(chǎn)品一般用于樹(shù)脂結(jié)合劑磨具,增加了顆粒表面的粗糙度,提高了樹(shù)脂對(duì)磨粒的把持力,同時(shí)鍍后金屬可彌補(bǔ)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(qiáng)度,緩沖熱沖擊.但金剛石表面化學(xué)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?yàn)楸砻驽僋i的金剛石在制造金屬結(jié)合劑工具過(guò)程中,溫度和壓力條件處于金剛石熱力學(xué)非穩(wěn)定區(qū),作為觸媒金屬的Ni有可能

9、在此條件下促使金剛石晶格發(fā)生逆轉(zhuǎn)變.生產(chǎn)實(shí)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(yán)重石墨化.212真空物理氣相沉積鍍PVD36第4期吳玉會(huì)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(dá)數(shù)百電子伏特.離子轟擊使金剛石表面進(jìn)一步凈化,并產(chǎn)生晶向?yàn)R射、離子注入、化合物及活性反應(yīng)等物理化學(xué)過(guò)程.以研究運(yùn)用這項(xiàng)新工藝開(kāi)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(wèn)題:1單次鍍覆量低.真空下從蒸發(fā)源高速運(yùn)動(dòng)的金屬粒子只能沉積到堆

10、積的金剛石表層,不能深入到內(nèi)部沉積.2因?yàn)楦黝怭VD方法鍍覆過(guò)程中金剛石的溫度低于500,達(dá)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(wú)化學(xué)冶金結(jié)合.213化學(xué)氣相鍍CVD化學(xué)氣相鍍是利用氣態(tài)物質(zhì)在一定壓力、溫度、時(shí)間條件下,在固體表面上進(jìn)行化學(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)反應(yīng),形成了強(qiáng)力冶金結(jié)合,單反應(yīng)溫度一般在9001200,損傷金剛石,同時(shí)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

11、覆成本高的問(wèn)題. 214真空微蒸發(fā)鍍真空蒸發(fā)鍍是在帶水冷裝置的不銹鋼真空室內(nèi),利用中頻或電阻加熱設(shè)備加熱金剛石與被鍍金屬粉末混合料,可在低于金屬粉末蒸汽壓的真空條件下蒸發(fā)沉積出金屬膜.由于熱力作用金剛石與金屬膜間同時(shí)形成化合物強(qiáng)聯(lián)結(jié)過(guò)渡層.整個(gè)鍍層厚度依加熱溫度和保溫時(shí)間來(lái)控制.這種方法預(yù)處理的金剛石在金屬結(jié)合劑的制品中已使間接測(cè)定的金剛石粘結(jié)效果提高40%70%.真空微蒸發(fā)鍍的主要技術(shù)原理是在每個(gè)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(duì)堆積顆粒狀物質(zhì)單次大批量鍍覆的問(wèn)題,鍍層均勻,無(wú)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

12、熱損傷的范圍(650 750,使化合物在鍍覆過(guò)程中生成,控制金屬沉積速度,促使生成的化合物沿界面擴(kuò)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(qiáng)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(shí)際上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(qiáng)度降低,反應(yīng)受制于碳穿過(guò)碳化物層的擴(kuò)散,鍍層極薄,實(shí)際使用效果表明對(duì)金剛石工具性能改善不明顯,往往由于對(duì)金剛石的熱損

13、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(xué)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(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn);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.4結(jié)論作者進(jìn)行了復(fù)合鍍層的研究與開(kāi)發(fā),并已取得很大成效.金剛石和鈦鍍層金屬間是強(qiáng)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(duì)金剛石的潤(rùn)濕性.研究表明,對(duì)金剛石表面實(shí)施

14、復(fù)合鍍覆,可顯著提高工具壽命,復(fù)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(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)起到了重要的推動(dòng)作用.46天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)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 kinds 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(xué)氣相沉積化學(xué)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(wú)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(jī)械包覆冶金結(jié)合熱燒損670750無(wú)熱損傷<400無(wú)熱損傷>850嚴(yán)重?zé)釗p傷<100無(wú)熱損傷>850嚴(yán)重?zé)釗p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(chǎng)合樹(shù)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(dá)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(xiàn):耐蝕性研究J.金