镀覆金刚石技术的研究进展

第18卷第3期 超　硬　材　料　工　程

V ol.182006年6月

SU P ERHAR D M A T ER IA L EN G IN EERIN G

Jun.2006

镀覆金刚石技术的研究进展

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项　东1,2

,李木森1

,许　斌2

,刘科高

2

(1.山东大学材料科学与工程学院,山东济南250061;2.山东建筑大学材料科学与工程学院,山东济南250014)

摘　要:金刚石工具中存在的把持力不足、颗粒脱落、氧化石墨化等问题,严重影响了工具的使用寿命和效率。金刚石表面镀覆金属层是解决这一问题的有效方法。文章对金刚石表面镀覆条件、镀覆原理和形成的镀覆金属化模型进行了讨论,综述了金刚石表面镀覆金属层的技术及其发展,介绍了该领域的最新的研究成果,并分析了它们在实际生产中应用。

关键词:金刚石;镀覆金属层;综述;把持力;化学镀和电镀;真空镀;盐浴镀

中图分类号:T Q 164.8;O484.1 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2006)03-0044-06

Research progress of techniques of coated diamond

XIANG Dong 1,2,LI M u-sen 1,XU Bin 2,LIU Ke-gao 2

(1.S chool of M ater ial S cience and E ngineering ,S handong U niver sity ,J inan 250061,China ;2.School of M ater ial S cience and E ngineering ,S hand ong J ianz hu Univ er sity ,J inan 250014,China )

Abstract :There are many pro blems in manufacturing diamond tools ,such as lack retention ,g rain shedding ,ox idation and gr aphitization etc .,w hich affect the w orking life and efficiency of the to ols.T he surface coating m etal o f diamond is the effective metho d.T hr oug h discussing the conditio n o f surface coated diamond,the co ating theory and the metalizing m odel ,the techniques and development o f coated diamond are sum med up ,and some new est achievement in this field are intr oduced,and the po ssibility of practical application in production ar e analy zed.

Keywords :diam ond ;coated m etal summarizing ;retention ;VD ;salt -bath plating ;electroplating

0　引言

人造金刚石于20世纪60年代初投入商业生产,随着社会的发展,应用于工业生产中的金刚石数量越来越多。因此超硬材料作为一个行业,其最大价值环节不在于金刚石材料,也不在于原辅材料,更不是在标准检测工具业,而在于价值含量最大的金刚石制品和立方氮化硼制品领域[1]。金刚石锯片是各类金刚石

制品中用量最大的一类产品。据国内外统计资料估

计,目前世界上工业金刚石50%左右用于制造石材加工工具,其中主要是石材锯片。锯片的制造和使用涉及超硬材料以及冶金、机械、地矿、建材与建筑业等多个工业部门和学科领域[2～3]。

目前,金刚石锯切和钻机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,抗压能力下降;在

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收稿日期:2006-02-20

作者简介:项　东(1964-　),男,山东建筑工程学院材料科学与工程学院副教授,学士,研究方向:超硬材料处理与金属材料应用及检测。基金项目:国家自然科学基金项目:50371048;50372035

1000℃以上金刚石会发生石墨化,而在使用过程中发生氧化失重或石墨化等反应会降低工具的加工效率,影响使用效果。另外,金刚石与大部分的金属、陶瓷等材料之间有较高的界面能,使得金刚石与基体的金属或合金难以有效地润湿,界面结合力较差,其热膨胀系数远远小于金属结合剂的膨胀系数,故在磨削力的作用下极易脱落,从而使磨具的使用寿命大打折扣。据估算孕镶式金刚石工具中金刚石利用率仅为60%左右,那么,每年有大量的金刚石因脱落而流失于废屑之中,损失巨大。因此,如何提高金刚石的抗氧化性、防止金刚石在高温下的石墨化及在使用时的脱落,成为提高金刚石工具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[3～5]。

科学研究与工业实践证明,金刚石表面镀覆不仅在金刚石产品及其制品的发展上,而且在其应用方面都能发挥非常重要的促进作用,并产生巨大的经济和社会效益。因此,国内外专家们认为金刚石表面镀覆是几十年来金刚石及工具技术领域的重大成就[6]。

1　金刚石表面镀覆的条件、原理、模型及意义

表面镀覆指的是利用表面处理技术使其它材料镀覆、沉积、涂覆在超硬磨料表面,使磨料表面发生状态、形状或物理化学方面变化的方法,统称为超硬磨料的表面镀覆。镀层厚度可从数十纳米至毫米级,镀层材料可以是金属、陶瓷或有机物。被镀覆的磨粒表面具有了镀覆材料的性质。镀层与超硬磨粒表面可以是化学键连接,也可以是物理沉积或粘结。镀层可以是单一材料,也可以是复合材料、合金或是多层复合材料。

1.1　金刚石表面镀覆的条件[1]

(1)成分条件按金属与金刚石的作用可将金属分成三类:¹石墨化元素:如Fe、Co、Ni等是碳的溶剂,在高温超高压下,此类元素促进石墨转变成金刚石,为触媒元素。º碳化物形成元素:如Ti、V、Cr、M o、Nb、W等,这些碳化物形成元素及合金在合适的工艺条件下与金刚石中的碳反应形成碳化物,其外延生长在金刚石表面,可实现这些金属与金刚石之间的化学键合。»不作用的“惰性”元素:Cu、Sn、Zn等低熔点元素及合金是金刚石工具中常用的结合剂成分,但它们与金刚石之间不发生化学反应,与金刚石只有机械地镶嵌在此类结合剂中,易脱落流失。

(2)结构条件为了达到金刚石与金属的冶金结合,只有Ti、V、Cr、M o、Nb、W等强碳化物形成元素才有可能在金刚石颗粒表面形成碳化物层,达到强力冶金结合。因此,金刚石与金属冶金结合的结构条件是,必须使碳化物层直接外延生长在金刚石上。

(3)工艺条件金刚石表面形成碳化层的过程为原子扩散的过程,需要在一定的温度下较长时间界面反应,因此,碳化物的形成是受原子扩散迁移控制的缓慢过程。但目前大量应用的热压工艺,其烧结时间很短,T i、V、Cr、M o、W等金属靠热压的温度和时间与金刚石接触反应,不可能形成连续的碳化物层,不能起到有效粘结金刚石的作用。若烧结之前,对金刚石表面预先金属化即金刚石表面镀覆Ti、V、Cr、M o、Nb、W及合金是非常必要的。在镀覆过程中,一定的真空、温度、时间条件下使金刚石表面外延生长一可控厚度的碳化物层,使镀层与金刚石镀后即产生化学键合。作为中间产品,带有镀层的金刚石与结合剂在短时间热压烧结后即可顺利实现金属镀层与结合剂胎体之间的钎焊结合,也就实现了金刚石与结合剂之间的冶金结合。

金刚石与碳化物形成元素反应生成化合物的成分、结构及生成条件:

Ti/金刚石:>873K(600℃),T iC

Cr/金刚石:>873K(600℃),Cr3C2;>1273K (1000℃),Cr7C3

W/金刚石:>973K(700℃),WC、W2C

Mo/金刚石:>923K(650℃),Mo C、Mo2C

1.2　金刚石表面镀覆的金属化原理

金刚石经表面镀覆处理会使金刚石表面金属化,金刚石表面金属化定义为使金刚石表层具有金属性。金属性主要指优良的导电、导热性和延展性,金属与合金溶液的优良化学亲和性与浸润性,以及美丽的色泽及其他一些相当好的理化性能(包括可焊性、可烧结性、可电镀性与可加工性在内的工艺性)。通常金属性的含义由金刚石表面之金属、合金或金属碳化物乃至它们的混合物的性质来确定。

金刚石与金属及复合材料界面结合力主要有: (1)机械结合力(机械镶嵌力),即胎体通过对金刚石的包镶和摩擦而对金刚石起到支持作用。这种结合力太弱,易造成金刚石过早脱落;(2)物理结合力,主要包括范德华力和氢键力。这种结合力虽普遍存在,但由于其结合太弱也不能牢固粘结金刚石;(3)化学结

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