金刚石表面镀覆金属的性能研究www.tool-tool.com

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图1 镀覆金属后金刚石X射线衍射图谱

1 引言

金 刚石材料具有高硬度、高抗压强度、高耐磨性以及优异的导热性和电绝缘性，已广泛应用于工具、磨具领域(如金刚石锯片、金刚石砂轮、金刚石磨头等)。金刚石 工具、磨具通常采用将人造金刚石颗粒与金属、陶瓷、树脂等结合剂镶嵌在一起的方式来实现对工件的加工，但由于金刚石与大部分金属、陶瓷甚至树脂均具有较高 的界面能，使金刚石与基体的结合力较差，容易造成金刚石早期脱落。据统计，在金刚石工具的使用过程中，只有约10%的金刚石真正发挥了切削作用。因此，改 善金刚石与基体的结合强度是提高金刚石工具加工效率和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一层金属的方法来降低金刚石与基体的界面能， 并通过这层金属与结合剂形成稳定的化学冶金结合(金属结合剂、陶瓷结合剂)。目前采用较多的镀覆金属包括Ti、Cr、V、W等碳化物形成元素以及Ni、 Cu、Ni-P等非碳化物形成元素。采用的镀覆方法种类也较多，如真空微蒸发镀可在金刚石表面镀覆多种金属和合金，但需要专用设备，成本较高；金属包渗也 可在金刚石表面有效镀覆Ti、Ta、Cr、Mo、W等金属，该方法也需要真空设备；盐浴镀和化学镀是两种比较简单的镀渡方法，不需要专用真空设备。盐浴镀 可镀覆大部分碳化物形成元素；而化学镀主要用于镀覆Ni、Cu、Ni-P等非碳化物形成元素以及与碳化物元素的复合镀层。目前国内对这两种方法镀覆金刚石 的镀层特点及其抗压强度、抗高温热蚀能力等性能研究方面的报道不多。本文通过在金刚石表面采用盐浴镀方法镀Ti和采用化学镀方法镀Ni、Cu的试验，分析 比较了采用这两种方法获得的金刚石表面形貌、镀层结构特点以及金刚石的抗压强度和抗高温热蚀能力。 2 试验方法 将45#人造金刚石与金属Ti粉棍合，并用NaCl和BaCl的混合盐以及少量硼砂和硅铁粉混合后覆盖其上，用陶瓷坩埚加盖后在箱式电阻炉中以1000℃温度保温1小时，再用热水去掉混合盐，即可得到镀Ti的金刚石。 用酒精和丙酮去除金刚石表面的油污，用混合酸(浓硝酸+浓硫酸)对金刚石表面进行粗化，再进行敏化、活化及还原处理后，分别放入Ni 镀液和Cu镀液中，经过一定时间后即可在金刚石表面镀覆一层Ni和Cu。 采用Y-4QX射线衍射仪对盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu的金刚石进行X射线衍射分析。 采用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石的表面形貌以及颗粒断裂后的镀层结构。 分别测试未镀筱金刚石和已镀覆金属金刚石的表面抗压强度(40粒为一组)。将金刚石放入无保护气氛、温度800℃ 的炉中一定时间，采用精确到0.1mg的电子分析天平称量金刚石的重量，通过测试金刚石的烧损量确定其抗高温热蚀能力。 3 试验结果与分析 经盐浴镀和化学镀后，几乎100%的金刚石均被镀覆上金属，表明这两种金属镀覆工艺是可行和成功的。盐浴镀Ti的金刚石表面呈灰黑色；化学镀Ni的金刚石表面呈亮银色，镀Cu的金刚石表面呈红色。 X射线衍射分析 用Y -4Q型X射线衍射仪测得的镀覆金属后金刚石X射线衍射图谱如图1 所示。由图可见，盐浴镀Ti的金刚石出现了TiC的衍射峰，表明Ti与金刚石通过TiC形成了化学冶金结合。化学镀Ni和Cu的金刚石上都有Ni和Cu的 衍射峰出现；镀Ni金刚石的表面镀层大多为非晶Ni，由于Ni层较厚，所以金刚石的衍射峰很弱。 镀层表面形貌分析 图2 为用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察到的镀Ti、镀Ni和镀Cu金刚石的表面形貌。由图可见，盐浴镀Ti和化学镀Ni的金刚石表面镀层致密均匀，而化学镀 Cu的金刚石表面镀层较为疏松，且存在未镀极部位，这是由于Cu镀层较薄且易氧化，引起镀层剥落，导致镀层表面结构疏松。 (a)盐浴镀Ti (b)化学镀Ni (c)化学镀Cu 图2 镀覆金属后的金刚石表面形貌 镀层界面结构分析 图3所示为盐浴镀Ti、化学镀Ni金刚石颗粒断裂后表面镀层结构的SEM图像。由图可见，Ti镀层与金刚石的界面不明显，界面处结构致密；而Ni镀层与金刚石之间界面十分明显，而且因观察前金刚石颗粒被断裂破坏，因此镀层与金刚石之间存在剥离现象。 由 于盐浴镀Ti是通过金刚石与Ti发生反应形成Tic，再在其外层形成Ti镀层，镀层与金刚石之间的结合为冶金结合，因此镀层致密，且与基体的结合强度很 高。而化学镀的原理是在金刚石表面形成均匀的还原中心Pd，并在镀覆过程中以Pd为核心形成镀层，因此在化学镀过程中镀层与金刚石之间并未形成冶金结合。 (a)盐浴镀Ti (b)化学镀Ni 图3 镀层与金刚石的界面结构 盐浴镀和化学镀对金刚石性能的影响 对抗压强度的影响 表1为盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石颗粒的抗压强度对比情况。 表1 单颗粒金刚石抗压强度对比情况 金刚石状态 镀前 盐浴Ti 化学镀Ni 化学镀Cu 抗压强度(kgf) 6 5.5 8.4 8.3 由 表1可知，经盐浴镀Ti后金刚石的抗压强度比镀前略有降低；而经化学镀Ni和Cu后金刚石的抗压强度则比铰前有较大提高，其中镀Ni和镀Cu的金刚石抗压 强度分别提高了40%和55%。盐浴镀Ti后金刚石的强度降低可能是因为试验时金刚石在高温(1000℃)中处理时间过长，对金刚石造成了一定损伤引起 的。有关文献中曾有采用盐浴镀Ti(或W)后金刚石抗压强度提高的报道，但强度提高幅度很小。由于盐浴镀时熔盐温度很高，不可避免会对金刚石造成损伤，因 此采用盐浴镀难以大幅度提高金刚石的抗压强度。用于化学镀Ni和Cu的低品级金刚石表面分布着许多缺陷和表层裂纹，在化学镀过程中，由于具有缺陷和裂纹的 表面存在比平滑表面更多的还原中心，因此在缺陷和裂纹处可获得更厚的金属镀层，这在一定程度上对金刚石表面的缺陷起到了弥和作用，从而使其抗压强度得到较 大提高。 对抗高温热蚀能力的影响 图4为未镀金属与分别镀覆Ti、Ni、Cu的金刚石的抗高温热蚀能力对比情况。由图 4可见，镀覆金属后的金刚石在高温(800℃)下的抗热蚀能力比未镀金属的金刚石有较大幅度的提高，这主要是由于镀筱的表面金属层在高温下可对金刚石起到 保护作用。对三种镀极不同金属的金刚石进行比较，可以发现：盐浴镀Ti的金刚石抗热蚀能力最好，化学镀Ni 金刚石的抗热蚀能力次之，化学镀Cu金刚石的抗热蚀能力最差。这是由于盐浴镀Ti金刚石的镀层与金刚石之间能形成冶金结合，可实现对金刚石基体的有效保 护；而化学镀Cu金刚石的表面镀层比较疏松，在高温下氧化严重，而且在某些部位有未镀金刚石露出，因此其抗热蚀能力较差。因此，镀Ti及镀Ni的金刚石可 获得较好的抗高温热蚀能力。 图4 用 于制造金刚石工具的金刚石表面镀覆金属可选用Ti、W、Cr、Mo等碳化物形成元素，由于这些金属可与金刚石形成碳化物过渡层，与金刚石基体的结合强度较 高，且具有良好的抗热蚀能力，因此十分适合制造陶瓷基和金属基金刚石工具。但是，为了形成碳化物层，需要较高温度，因此镀覆这些金属元素时不宜采用化学镀 或电镀工艺，采用真空镀或盐浴渗镀工艺较为适宜。对于Ni、Cu等非碳化物形成元素，则可采用简单的化学镀工艺，但存在镀层与金刚石基体结合强度不高的缺 陷。其中，镀Ni可以明显提高金刚石的抗高温热蚀能力。 4 结论 盐浴镀Ti的镀层与金刚石之间可形成良好的结合界面；而化学镀的镀层与金刚石之间结合强度不高。 经化学镀覆金属的金刚石抗压强度有很大提高；但盐浴镀Ti金刚石的抗压强度无明显改善。 盐浴镀Ti和化学镀Ni金刚石的抗高温热蚀能力优于化学镀Cu金刚石。

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