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金刚石表面金属化的方法

文章出处:科技公交车人气:发表时间:2018-04-04 06:31【

1金刚石表面金属化原理

金刚石晶体中没有自由电子,所有价电子都参与成键,而处于金刚石表面的碳原子存在一悬挂键。悬挂键在一定压力和温度下可以和金属发生化学反应而形成化学键,这是产生冶金结合的根本。在过渡金属中,容易与金刚石生成稳定碳化物的金属,例如W、V、Ti、Ta、Zr等,它们与金刚石有更强的亲和力,在高温下能与金刚石起化学反应,生成相应的稳定碳化物。碳化物一方面与金刚石表面存在较好的化学键合,另一方面又具有防护作用,隔绝与氧的直接接触,防止金刚石在高温下被氧化。金属化表面由3层材料叠合而成。从内到外,第一层是碳化物层,牢固地附着在金刚石表面,这层结构是金刚石表面金属化的关键。第二层为合金化层,第三层是金属层。

金刚石表面金属化的方法

2金刚石表面金属化方法

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;

(2)提高磨料的强度;

(3)隔离保护作用;

(4)改善热传递。

金刚石表面金属化的方法

3. 1 化学镀加电镀

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,其表面具有金属性,可以继续电镀,获得所需的镀层品种及厚度。

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,提高颗粒强度,缓冲热冲击。

金刚石表面金属化的方法

3. 2 真空物理气相沉积镀(PVD)

在真空条件下,将金属气化成原子、分子或离子直接沉积到镀件表面上。国内科研工作者利用真空蒸发、磁控溅射和离子束等方法在金刚石表面镀覆钛、铬钛合金等,并研究了镀层与金刚石的界面反应和粘结等问题,如朱永法等采用磁控溅射技术在金刚石表面镀铬,利用AES分析了在300℃ ~600℃退火时金刚石与铬镀层的界面反应和界面产物。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。

金刚石表面金属化的方法

3. 3 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。王艳辉利用CVD法对金刚石表面镀钛层进行了广泛深人的研究;美国科技工作者K. P.Zarnoch在专利中利用CVD法对金刚石进行了镀覆钨的研究。

3. 4 化学气液相处理技术(CVLT)

都工具研究所薛屺和晋勇开发的CVLT技术,可对金刚石单晶、微粉、聚晶进行表面合金化处理,是目前国内一种新型的、先进的金刚石表面金属化处理技术。该技术可以在各种金刚石单晶、聚晶、微粉及CVD金刚石厚膜以共价键及冶金结合方式生成0. 3~40μm的W、Cr、Ti、N i、Co、Cu等,以及与树脂连接性好的化合物。

3. 5 真空微蒸发镀

真空微蒸发镀是在镀覆过程中,将加热温度控制在界面反应温度。在该温度下,既能使界面化合物在镀覆过程中得以生成,又不至于使超硬材料磨料受到热损伤。王艳辉等]提出,采用对金刚石先真空微蒸发镀钛或镀钨,然后采用化学镀镍或电镀镍而形成复合镀层。此种复合镀金刚石可用于制造金属烧结结合剂工具、钎焊金刚石工具和用于树脂结合剂的低品级超硬磨料。此种方法设备简单可靠,价格低廉,操作简便,单次镀覆量大,可适用于多种镀覆材料,如Ti-Cr、Ti-W、Ti-Mo等合金,使镀层性能得到改变。

3. 6 粉末覆盖烧结

利用高温下弹性蒸气压很高的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(如WO3、WO2、MoO3、MoO2)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。苏堤等的研究证明了经表面金属包渗处理后,金刚石颗粒的表面润湿性、粘结强度及抗氧化能力均得到不同程度的提高。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,实际使用效果表明对金刚石工具性能改善不明显。

金刚石表面金属化的方法

3. 7 盐浴镀

盐浴镀就是在氯化物的盐浴中加入钛、铬等金属粉末,再将金刚石投人盐浴中,在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。张凤林等分析比较了在金刚石表面进行盐浴镀和化学镀N i的表面形貌、镀层界面结构和组成等性质的差异。汤小文等在盐浴镀的基础上真空包熔处理,进行焊接实验,效果较好。该方法的主要缺点是:镀覆温度高、镀后从盐浴中分离金刚石工艺复杂、镀覆成本高等。

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