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好好的金刚石磨料,为啥表面要金属化?
2020年05月18日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:928
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自古以来,金刚石都一直被视为是一种极为名贵的装饰品。但随着现代工业技术的发展,金刚石独特的力学、热血和电学性能逐渐被挖掘出来,使它从单纯的工艺品摇身一变成为了重要的工业原料。

 

 

金刚石砂轮

极为出色的硬度和耐磨性,使以金刚石为原料制成的工具和磨具被机械、建材、光学仪器、冶金、电子、石油等领域广泛应用。如人造金刚石制作的各种磨轮、砂轮、砂布、研磨膏就在机械加工方面相当有一手,能很好地提高机械产品光洁度、尺寸精密度。

一、金刚石表面金属化的意义

但金刚石本身再优秀,也会孤掌难鸣——这是由于人造金刚石颗粒粒度分布都比较小,几乎所有的使用都要求将晶体结合在基体上或者植入其中。但金刚石与大部分金属、陶瓷等均具有较高的界面能,因此金刚石与基体的结合力较差,容易造成金刚石的早期脱落。

目前金刚石锯切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,抗压下降;在1000℃以上金刚石就发生石墨化,从而大大影响金刚石的使用效果。

 

细小的人造金刚石微粉

因此,如何提高金刚石的抗氧化性、防止石墨化是改善金刚石工具在高温领域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。结合剂主要起到以下重要作用:

①分散、把持金刚石颗粒

②使金刚石颗粒有一定的露出;

③防止金刚石颗粒过早脱落;

④将工作过程中产生的热量迅速散传出去,承受和分散金刚石工作时产生的冲击。

二、金刚石表面金属化的原理

金刚石表面金属化是利用表面处理技术在金刚石颗粒表面镀覆金属,使其表面具有金属或类金属的性能。金属化表面由三层材料组成,从外到内,分别如下:

第一层是金属层,它能赋予金刚石表面许多新的特性,如优良的导热导电性;

第二层是合金化层,它由碳化物和金属两种结构组成;

第三层是碳化物层,一般厚度在几百至上千埃,可牢固地附着在金刚石颗粒表面,是金刚石颗粒表面金属化的关键所在,一般由与金刚石浸润性好的金属,如Ti、W、Cr、V等组成,这些元素在高温下能与金刚石发生反应,生成稳定的碳化物。它不仅能与金刚石存在较好的化学结合,而且可隔绝其与氧气的直接接触,防止它在高温下被氧化。

 

金刚石表面金属化层

三、金刚石表面金属化的方法

目前国内外常用的镀覆方法有如下几种:

1.化学镀加电镀

该方法具体是指首先通过氧化-还原反应在金刚石表面沉积金属如Ni、Co、Cu或者Ni-W、Co-W等复合金属等,使金刚石到店,然后再对其进行电镀,得到需要的镀层。金刚石颗粒的化学镀加电镀产品通常只用于树脂结合剂工具,能够增加金刚石颗粒表面的粗糙度,改善结合剂对颗粒的物理把持力,同时镀层可以弥补金刚石颗粒的内部缺陷,提高其力学性能和热稳定性。

值得注意的是金刚石表面化学镀或电镀Ni、Co、Cu不适用于金属结合剂工具,即使镀Ni-W、Co-W合金的产品也不能用于金属结合剂工具,其原因是Ni、Co为石墨化元素,不能起冶金结合作用。

2.盐浴法

盐浴镀就是往氯化物中加入Ti或Cr等金属粉末,然后再讲金刚石颗粒投入该混合溶液,将该溶液加热至850℃~1100℃,盐浴处理1~2h后金刚石表面形成了相应的碳化物镀层。这种方法的主要优点是镀层与金刚石结合牢固;缺点是镀覆温度高,镀后从盐浴中分离金刚石工艺复杂、镀覆成本高。

3.真空镀

用于金属结合剂金刚石工具如锯片、地质钻头等的金刚石表面应该采用强碳化物形成元素进行镀覆,如Ti、cr、Mo、w、V等,这些金属一般通过真空镀覆的方法沉积于金刚石表面,但该方法需要真空设备,工艺复杂。目前国内外常用的真空镀覆技术有以下几种:

1真空物理气相沉积镀PVD

真空物理气相沉积是指采用真空蒸发镀膜机、磁控溅射镀膜机或者离子束镀膜机等设备并对其抽真空,将靶材金属气化成原子、分子或离子直接沉积到镀件表面上。根据镀膜时气化方式的不同,可以将该法分为真空蒸发镀、真空溅射镀和真空离子镀。

但是该方法存在一些缺点,如单次镀覆量低,镀层不均匀,容易出现漏镀,镀层与金刚石之间只是物理附着,无化学冶金结合等;为了得到最佳镀层结构要反复多次镀覆,难以实现工业化应用。

2)真空化学气相镀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如卤化物等导入放有镀件的反应室内,与工件接触发生热分解或化学合成而形成镀层

但该方法反应温度一般高达900~1200,易损伤金刚石;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、成本高的问题。

4.粉末覆盖烧结

利用高温下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体粉末接触反应法。镀层的形成实际上是粉末中的金属氧化物WO3WO2MoO3MoO2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

这种方法虽然可提高单次镀覆量但由于镀覆温度一般高于850℃,金刚石会被氧化,抗压强度降低,实际使用效果表明对金刚石工具性能改善不明显。

资料来源:

金刚石颗粒表面镀覆碳化钛包覆层的研究,罗雯。

金刚石表面金属化的研究现状冒爱琴何宜柱郑翠红朱伟长闫勇李家茂

粉体圈 小榆 整理

 

 


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