金刚石表面金属化
CVLT金刚石表面金属化技术
CVLT金刚石表面金属化技术用人造金刚石单晶及聚晶制造工具时，大多必需依靠金属、陶瓷或树脂作为粘接载体，因此，金刚石工具的寿命及使用效率除与所选用的金刚石和结合剂有关外，还取决于金刚石与结合剂的结合强度，但由于金刚石与载体之间在物理和化学性能上存在巨大差异，使得两者的结合极为困难。
为此，国内外已开发了多种金刚石表面金属化技术，力求提高金刚石与金属胎体之间的焊接浸润性和粘接强度，以延长金刚石工具的使用寿命。
成都工具讨论所开发的CVLT（化学气液相处理）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。
技术特点本技术能对全部种类的金刚石表面进行各种成分的合金化处理，其重要技术特点为：金刚石种类：各种金刚石单晶、聚晶、微粉及CVD金刚石厚膜；表面合金化材料：W、Cr、Ti、Ni、Co、Cu等，以及与树脂连接性好的化合物；表面合金膜厚度：依据需要可达0.3～40；m；表面膜与金刚石的结合形式：共价键及冶金结合。
2.应用领域本技术的应用领域重要包括以下几方面：聚晶金刚石表面合金化采纳CVLT技术可在聚晶金刚石表面制作一层15～40；m的合金膜，使金刚石聚晶能坚固地烧结或焊接在金属胎体上。
我们已成功地将该技术应用于石油钻头及矿山工具上，金属化效果已达到美国GE公司同类金属膜聚晶金刚石的水平。
单晶金刚石表面合金化采纳CVLT技术在单晶金刚石表面制作一层1～5；m的合金膜，能大大提高单晶金刚石烧结块、金刚石砂轮等工具的使用寿命。
金刚石微粉的表面合金化CVLT技术用于金刚石微粉重要有两方面用途，一是在金刚石微粉表面复合一层约0.5m的（Ni、W、Cr）合金膜，此微粉可用于制作金刚石砂轮（金属结合剂及树脂结合剂）及金刚砂抛光带、抛光盘等，以提高金刚石与胎体的粘接性能。
二是在金刚石微粉表面复合一层（W、Co、Ti）合金膜，用此微粉制作聚晶金刚石，可提高聚晶金刚石的强度及高温稳定性。
金刚石表面特性及表面金属化
• 连生体进一步分成不规则连生体、平行连生体和双 晶(有连生双晶、穿插双晶、板状双晶等)。 • 多晶体有圆粒金刚石(波尔特型)、浅红金刚石和黑 金刚石等几种。 • 圆粒金刚石是由颗粒连生体和不规则连生体等微 晶形成的球状集合体，呈乳白色到钢灰色，常有裂 缝，硬度很大。 • 浅红金刚石是一种由中心向外放射状排列的微晶 金刚石组成的集合体，外形呈圆球状。这种多晶体 外壳坚硬，内核较软，硬度比圆粒金刚石和黑金刚 石低，强度比圆粒的高。 • 黑金刚石由更细金刚石组成的微密或多孔的集合 体，呈黑色、灰色或绿色，外形不规则。有的黑金 刚石表面有珐琅光泽，硬度略低于圆粒金刚石，但 韧性好。
金刚石表面特性及 表面金属化
—— 金刚石表面处理专题报告——
傅圣利
前 言
• 金刚石由于具有高硬度、低摩擦系数、高热导率、 低膨胀系数、低放射性等许多优异的物理特性， 在许多工业领域都得到应用。尤其是由金刚石和 金属、陶瓷或高分子树脂结合在一起做成的金刚 石工具，不仅被广泛用于民用建筑与土木工程、 石材加工业、汽车工业、交通工业、地勘与国防 工业等领域和其它现代高新技术领域，而且在宝 石、医疗器械、木材、玻璃钢、石材工艺品、陶 瓷、复合金属和硬脆材料等众多新领域不断出现， 社会对金刚石工具的需求也逐年增加。
3.1 基本原理
• 在金刚石表面镀覆或增加涂层以改变金刚 石表面粗糙镀对于树脂基金刚石工具也是 常用的变法，但其结合强度没有化学结合 显著。 • 金刚石表面金属化不仅能使金刚石与金属 粘接剂产生化学键合，而且能改变金刚石 表面形状，增加物理嵌合作用，提高金刚 石把持力，是金刚石最普遍采用的表面处 理方法。
• 空气中温度高于650℃时，-NO2、-NO3、 -SO3H基吸收带消失，桥接的含氧基吸收带强 度降低； • 用氢处理甚至在20℃时，呈现不同C-H基的 特征吸收带，同时-C=O、-COOH、-CHO和 -CO-O-OC-消失；900℃时用氢处理导致 -OH基脱除和C-H键含量增加。 • 化学改性处理对金刚石与水的表面接触角 影响很大（表3）：
金刚石表面金属化方法
区 ， 为触 媒 金属 的镍 有 可 能 促 使 金 刚 石 晶格 在 此 条 件 下发 生逆 转变 。 作 借助 显 微镜 在 生 产实 践
维普资讯
使 靶 材 表 面 原 子 获 得 大 于 本 身 电离 能 的 撞 击 能 量 而 被 打 出 向 运 动 的 金 刚 石 颗 粒 表 面 溅 射 堆 集
成膜 。 比蒸 发原 子 或 分 子 的 平 均 能 量 大 数 十 倍 的 溅射 粒 子 增 加 丁膜 层 的 成 榱 密 度 ． 高 了表 面 提 原 子 迁 移率 及体 扩 散 ．使 镀 膜性 能 及 附 着 力增 强 空镀 Ｔｉ 、Ｍｏ 真 、Ｗ 、Ｃｒ 金 属 膜 金 刚 石 在 等 岩 芯 勘 探 钻 头 、石 材 切 割 锯 片 、金 刚石 烧 结 体 、砂 轮 修整 工 具 中得 到 很 好 应 用 ．金 刚 石 镀 膜 后 工 具 工 作 层 整 体 抗 蚪击 韧性 ． 弯 强 度 及 耐 磨性 得 到 良好 改 善 苏 联 全 苏 勘 探 所 等 单 位 制 】 抗 前 造 的 ￣５ｍｍ 镀 Ｔｉ Ｎｉ ９ — 金副 石 表 镶 、孕 镶 钻 头 在 可 钻性 ｘ级 硅 化 闪 长 岩 中钻 进 ．寿命 分 别 提
带水冷装置的不锈钢 真空 室内 ， 利用 电阻或 电子束等将被镀金属或合金加热到蒸发温度蹦上 ， 使平 均 动 能Ｏ ２Ｖ 的 金 属原 子 或 分 子 蒸 发 逸 出 。 们 在 同样 装 在 真 空 室 特 制 容 器 中不 断运 动 ．ｅ 它 的金 刚 石表 面 附着 扩 散 而形 成 镀 膜 合金 镀膜 时 ． 在 为了 防止 台金 成 分 的 分 馏 可 以采 用 各 成 分
【精品文章】金刚石磨料颗粒为什么需要在表面镀覆金属？
金刚石磨料颗粒为什么需要在表面镀覆金属？
金刚石是公认的“超硬之王”，极高的硬度使得它在磨具磨料行业中被广泛使用。
但是金刚石颗粒和大多数金属、合金、陶瓷甚至树脂结合剂之间的高界面能，决定了磨具中的金刚石颗粒只是被机械地包覆在结合剂基体中。
但是金刚石颗粒若不能与基体“死死地”黏在一块的话，当磨具受到磨削力作用、磨粒还没被磨露到最大截面时，金刚石颗粒就因失去基体的包裹而自行脱落，降低了金刚石工具的使用寿命和效率。
因此为了提高磨具的使用寿命，人们开始应用金属包覆金刚石颗粒。
镀覆金属后，金刚石粉体与结合剂基体之间的表面能差异得以降低，两者间的结合力得到加强并减少了金刚石的脱落，从而提高金刚石粉体材料的利用率。
而且它还能对金刚石表面起到宏观隔离保护作用，及对金刚石结构起到微观侧面支撑作用，有利于防止金刚石在使用过程中被氧化和石墨化。
镀层的分类：
自1965年尼柯都尔(Nicodur)发现金属镀层处理可以提高砂轮寿命50%后，这一做法就得到了广泛普及。
1966年以后，最先出现的镀层是铜和镍，后来钛、钼、钨、铌、钽等金属镀层也逐渐发展了起来，甚至还有陶瓷难熔化合物等非金属材料镀层，但普遍来讲，镀镍金刚石较为常见。
除此之外，镀层也由单层发展到多层，例如铜-镍、钛-镍以及金属-非金属复合镀层，常用的方法则有化学镀加电镀、真空蒸镀、等离子溅射等。
如今表面镀覆不仅应用于磨粒，还应用于微粉和聚晶原料加工。
金刚石表面金属化_镀膜_的试验研究
金刚石是非金属 ,与一般金属或合金有很高的界面能 , 其表面不能被低熔点金属或合金所浸润 ,可焊性很差 。目前 在我国金刚石工具制造中 ,金刚石颗粒仅被机械地卡固在金 属基体之中 ,不是冶金结合 ,因此金刚石颗粒在工作中易与 金属基体分离 ,金刚石工具的寿命和性能水平大为降低 。如 能将金刚石的机械卡固改为化学结合 ,增强金刚石与金属基 体的粘结力 ,对于提高金刚石工具的性能 、提高碎岩效果 、降 低钻探成本具有重要意义 。
室内钻进试验在中国地质大学 (武汉) 钻探试验大厅进 行 ,镶在钻头上的钻齿规格为 10 mm ×10 mm ×9 mm ,所钻 岩石为 8～9 级花岗岩 。评价指标为碎岩速度 V ( m/ h) 和耐 磨性 ,即单位进尺的磨损量 W (mm/ m) 。检测结果见表 1 。
表 1 镀膜和未镀膜金刚石钻齿碎岩测试结果
利用表面金属化技术 (或镀膜) 使金刚石表面具有金属 性 ,是解决上述问题的有效措施 。为此 ,我们对金刚石表面 金属化 (镀膜) 进行了试验研究 ,其中部分内容曾以论文形式 在圣彼得堡举行的第四届复杂条件下钻探国际研讨会上进 行过宣读 ,受到了同行专家的好评[1 ] 。
cvd金刚石膜表面金属化应用
cvd金刚石膜表面金属化应用1.金刚石膜表面金属化技术在电子元件制造中发挥了重要作用。
Metallization of diamond film surfaces plays a crucial role in electronic component manufacturing.2.它可以增加金刚石膜的导电性能，使其成为优良的导电材料。
It can enhance the conductivity of diamond film, making it an excellent conductive material.3.金属化的金刚石膜可以用作电极材料，具有更高的耐磨性和稳定性。
Metallized diamond films can be used as electrode materials with higher wear resistance and stability.4.应用金刚石膜表面金属化技术可以改善传热性能，用于热管理系统。
Applying metallization on diamond film surfaces can improve thermal conduction performance for thermal management systems.5.金属化的金刚石膜可以用于生物医学传感器，具有优异的耐腐蚀性能。
Metallized diamond films can be used in biomedical sensors, demonstrating excellent corrosion resistance.6.在光学器件中，金刚石膜表面金属化可以提高反射率和光学性能。
Metallization of diamond film surfaces can enhance reflectivity and optical performance in optical devices.7.金刚石膜表面金属化技术可以提高金刚石膜与其他材料的结合性，用于多种复合材料制造。
金属化金刚石热稳定性能的研究
金属化金刚石热稳定性能的研究金属基金刚石工具多采用真空或保护气氛烧结制备，其目的是防止氧化气氛的存在使金刚石过早石墨化。
但采用堆焊技术将金刚石与硬质合金混合敷焊于钢齿石油钻头上时，金刚石抗压强度下降；大大影响金刚石工具的使用效果。
因此，防止高温下的金刚石因氧化而转变成石墨，是提高金刚石工具使用效率和寿命的关键因素[1]。
目前国内外一般采用表面镀覆金属的方法来减少金刚石高温石墨化倾向，降低金刚石与镀覆金属间的界面能[2]，实现金刚石与多种金属材料的浸润，并通过该层金属与金刚石发生化学反应，生成稳定的化学键，实现冶金结合，从而提高金刚石与基体的结合强度，以利于充分发挥金刚石的性能。
本文简单描述了化学气液相处理(CVLT)技术制备表面金属化金刚石的过程，并通过表面金属化金刚石与未镀单晶金刚石的对比测试，着重分析氧化环境对两种状态金刚石热稳定性的影响。
02实验单晶金刚石（型号SMD35、粒径40/45）表面金属化采用化学气液相处理（CVLT）工艺制作：(1)将单晶金刚石放入真空气氛加热炉中，在负压（-0.09MPa）下加热至800℃，通入Ti、Cr氯化物蒸发气和氢气，反应1h后停止通反应气，样品在氢气保护下随炉冷却后出炉。
(2)经气相反应后的单晶金刚石，放入Ni-Cr-W-P化学镀液中，在90℃镀覆1.5h，取出用清水清洗后烘干。
被测样品在马弗炉中加热，其参数如下表1：采用体视显微镜（XTL-500）观察常温和高温氧化两种状态金刚石表面形貌变化；分析天平（AR2140）称量金刚石在各加热环境的失重情况；X射线衍射仪（DX-1000X）测试金刚石及金属化膜层结构；抗压强度测定仪（LY—007型）对金刚石单晶进行单粒抗压测试，测定其40粒平均抗压强度。
03结果与讨论3.1形貌观察及分析图1为未金属化金刚石单晶900℃加热前后的体视显微形貌像，其中（a）显示：金刚石颗粒形状规则，表面光滑，边棱锐利，图（b）显示金刚石加热后失去光泽，棱角模糊，尺寸变小，且表面有较大的蚀坑（如图中箭头处）。
金刚石表面金属化研究现状
金刚石表面金属化研究现状一、引言金刚石作为自然界中硬度最高的材料，具有许多优异的物理和化学性质，如高热导率、高硬度、化学稳定性等。
然而，金刚石的疏水性和缺乏合适的化学活性使得它在许多应用领域中的实际应用受到限制。
为了拓展金刚石的应用范围，研究者们致力于对金刚石表面进行金属化处理，以提高其与其它材料的结合能力。
本文将对金刚石表面金属化的研究现状进行综述，重点介绍化学镀金属化、电镀金属化、真空镀膜金属化、溶胶-凝胶法金属化和热氧化法金属化等方法。
二、化学镀金属化化学镀是一种在无外加电流的条件下，通过化学反应将金属离子还原为金属并沉积在基材表面的一种方法。
化学镀金属化金刚石的方法通常包括两个步骤：首先是在金刚石表面形成活性基团，然后是在活性基团上沉积金属。
由于化学镀具有较高的沉积速率、无电镀基材的限制、可在复杂形状的基材上沉积金属等优点，因此在金刚石表面金属化方面具有广泛的应用前景。
三、电镀金属化电镀是一种利用外加电流将溶液中的金属离子还原为金属并沉积在电极表面的一种方法。
在金刚石表面金属化中，通常将金刚石颗粒作为电镀的底层，通过电镀技术在金刚石表面形成一层连续的金属膜。
电镀技术具有沉积速率快、设备简单、操作方便等优点，但同时也存在一些问题，如电镀液对环境造成污染、电镀过程中会产生氢脆现象等。
四、真空镀膜金属化真空镀膜是指在真空条件下，利用物理或化学方法将金属或非金属材料沉积在基材表面的一种方法。
真空镀膜技术包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀等。
真空镀膜技术具有无污染、沉积温度低、附着力强等优点，但同时也存在设备成本高、生产效率低等缺点。
在金刚石表面金属化中，真空镀膜技术可以用来制备高附着力的金属膜，从而改善金刚石与其它材料的结合能力。
五、溶胶-凝胶法金属化溶胶-凝胶法是一种通过将无机盐或有机盐溶液进行水解和缩聚反应，形成稳定的溶胶或凝胶，然后经干燥和热处理得到无机或有机材料的工艺方法。
溶胶-凝胶法具有制备温度低、纯度高、成膜厚度均匀等优点。
提高金刚石制品性能的方法
提高金刚石制品性能的方法一、添加稀土元素稀土元素对硬质合金性能的改善可望对金刚石工具的性能同样发挥作用: (1) 稀土元素的加入将能提高胎体金属对金刚石的浸润性, 增强其粘结能力; (2) 稀土元素的加入能提高胎体材料的抗弯强度、耐磨性、抗冲击韧性等, 从而提高金刚石工具的质量; (3) 稀土元素能降低粘结金属的熔点, 降低金刚石制品的烧结温度, 从而减少热压法高温造成的金刚石质量下降。
二、采用预合金胎体金属粉末各种金属都有自己的熔点, 而且相差较大。
金刚石制品的烧结温度大多在1000℃以下, 有文献[4 ] 报道, 烧结温度超过1060℃时, 金刚石的强度下降比较明显, 从而影响金刚石制品的使用寿命。
在950～ 1000℃的烧结温度下, 低熔点金属早已熔化甚至有很大一部分被烧伤, 而对于高熔点金属来说, 在该温度下烧结所得的胎体多为假合金, 即胎体中大多数高熔点金属仍以元素形式存在,不能充分发挥作用, 达不到原胎体配方设计的要求。
这种胎体金属末能完全合金化, 各金属颗粒之间是通过固溶扩散、蠕变而结合的, 其结合力不强, 影响了金刚石制品的机械强度。
胎体金属粉末的预合金化, 即是把各种有关的金属在熔炼炉中预先炼成合金, 然后再制成粉末。
该预合金粉末具有单一的熔点, 其熔点可以通过调整成分配比来控制和选择。
胎体金属粉末的预合金化有如下优点: (1) 合金熔点比单元素熔点低, 可使一些高强度金属通过合金化后降低熔点, 以达到烧结金刚石制品的要求; (2) 合金和单元素金属相比, 具有较高的物理机械性能, 易于满足金刚石制品胎体性能要求; (3) 合金抗氧化性比单元素强, 烧结性能好, 易于保存; (4) 预合金粉末比机械混合粉末均匀, 对金刚石的浸润性好; (5) 合金粉末具有单一的熔点, 从而避免了机械混合粉末胎体烧结中最常出现的成分偏析和低熔点金属先熔化并富集以及易氧化、挥发等缺陷, 从而可保证金刚石制品的质量, 制品的机械性能也大有提高。
金刚石镀镍
金刚石表面化学镀Ni工艺研究摘要：由于金刚石表面能较高，在热压成型时很难与金属基体牢固的结合起来，因此刀具受到高的切削载荷时，金刚石很容易脱落，致使出现刀具寿命明显降低的问题，采用对金刚石的表面进行金属化处理。
本文研究了在金刚石表面金属化的各种处理方法及优化了在金刚石表面进行化学镀Ni的工艺。
关键词：金刚石；化学镀；增重率0前言金刚石具有高的热导率、低的密度、高的硬度、高的抗压强度及热膨胀系数与半导体材料好匹配等优点，但由于目前金刚石锯切工具和钻机工具多用粉末冶金的方法生产，烧结温度一般可以高达900℃，然而金刚石在空气中加热到700℃左右的时候，就开始出现氧化失重，抗压能力下降的问题；在1000℃以上时金刚石会发生石墨化，同时因为金刚石表面能很高，而且金刚石与基体润湿性比较差，与基体粘合力较弱，金刚石一般与金属基体的连接仅仅靠机械镶嵌力，却不能形成强的化学键粘合力，使金刚石在工作过程中容易脱落。
为了达到增强金刚石和金属之间的润湿性的目的，本文采用以次亚磷酸钠做为还原剂在金刚石表面进行化学镀镍的方法来降低金刚石和基体的界面能，改善他们之间的润湿性。
同时分析了金刚石表面镀覆前后不同的增重率对金刚石性能的影响。
研究了金刚石表面化学镀镍，给出了化学镀前的预处理过程和化学镀的工艺流程，并确定了化学镀镍的合理配方。
用金刚石单颗粒抗压强度测定仪测试镀覆前后单颗金刚石的抗压强度，利用扫描电镜（SEM)分析镀覆前后金刚石表面形貌、疏松致密程度等，利用X射线衍射仪（XRD)分析特征峰判断晶型非晶型、镀覆金属与金刚石有无界面生成物等。
1金刚石表面处理的发展及应用目前,在金刚石表面镀层中使用的材料主要是金属材料,所以又称之为金刚石的表面金属化处理。
在这其中根据使用地方的差异又可分为两种不同的情况:(1)表面镀钛、镀钨、镀铬等的金刚石适用于使用金属结合剂和陶瓷结合剂的砂轮；(2)镀镍和镀铜的金刚石适用于使用树脂结合剂的砂轮;1.1金刚石表面镀覆条件在金刚石表面进行镀覆时，存在非常多的形成条件和影响因素，主要有：成分条件、结构条件、工艺条件。
超硬磨料金刚石表面镀覆金属的研究现状
超硬磨料金刚石表面镀覆金属的研究现状作者：东方红来源：《中国科技博览》2012年第20期[摘要]：文章简要介绍了近年来金刚石超硬磨料表面金属化的种类及研究进展，并分析了各种方法的优缺点。
[关键词]：超硬磨料金刚石表面金属化中图分类号：TD874 文献标识码：TD 文章编号：1009-914X（2012）20- 0128 -011 前言金刚石以其高硬度、高耐磨性以及优异的高导热性和电绝缘性等一系列优良的综合性能在国民经济的许多领域具有广泛的用途【1】，但由于金刚石与金属之间具有很高的界面能，使金刚石颗粒不能为金属所浸润，粘结性极差，导致磨料在工作中易与胎体金属基分离，大大降低了金刚石工具的寿命及性能水平。
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。
2 金刚石表面金属化的原理金刚石表面金属化是指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【2】，其设想：金刚石表面有具有金属特性的表面层，该表面层与金刚石晶体表面碳原子通过界面化学作用形成具有冶金结合、金属特性的表面层，它与金刚石之间有强大的结合力而不为一般机械磨擦所剥落。
金刚石表面通过物理或化学方法镀覆某些强碳化物形成元素如W、Ti、Cr、V、Mo、Nb 等过渡金属或合金。
这些金属或合金在高温下与金刚石表面碳原子发生界面反应，生成稳定的金属碳化物。
碳化物一方面与金刚石表面存在较好的化学键合，另一方面能很好地被胎体金属浸润，能大大增强金刚石与胎体之间的结合力。
此外金刚石表面镀覆的金属或金属碳化物具有防护作用，镀层可隔绝金刚石与氧的直接接触，防止金刚石高温下被氧化【3】，这为金刚石表面金属化提供了物化基础。
3 金刚石表面金屬化的镀覆方法3.1 化学镀及电镀化学镀是在无外加电流的条件下，通过自催化过程的氧化-还原反应在金刚石表面沉积金属。
由于金刚石是非导体，本身对金属沉积没有催化作用。
在化学镀之前要对金刚石进行表面清洁、粗化与亲水处理→胶体钯敏化、活化处理→解胶【4】等预处理，其中，对金刚石进行敏化、活化处理是最为关键的一步，它直接关系到镀层的均匀度和与基体的结合力。
一种金刚石大批量表面合金化的新方法
一种金刚石大批量表面合金化的新方法吴晓忠(秦皇岛市道天高科技有限公司，河北秦皇岛066004)￡}裔要]本方法采用适宜的工艺方法，利用真空微蒸发镀原理进行金刚石的表面合金化，适合大批量工业生产。
避免了传统微蒸发方法工艺繁琐、操作复杂、单次镀覆量少等钝点，单次镀艘量可以达到数十公斤，并且覆盖面广，适用于铜、镍、钛、铬、钨及是合盒等适宜进行金剐石镀覆的所有金属及其合金粉末。
通过扫描电镜观察和磨《q试躺琏行检测，结果表明：金刚石表面生成稳定的碱化物。
在保证磨削效率的前提下，产品使用寿命同未镀覆的金刚石磨具相比，提高到其180V r200％泼撬词】金蹦石；大批量；表面合全化；新方法金刚石工具是金刚石与胎体材料组成的复合材料，其性能取决于金刚石颗粒与眙阵材料的粘结强度。
由于金刚石属于非金属，和多数金属或合金之间的界面能很高，致使金刚石不能被一般胎体金属所浸润而牢固地粘结，导致金刚石工具在使用中金刚石过早脱落，不仅造成金刚石的浪费，而且严重影响超硬材料工具的使用性能和使用寿命。
为了达到好的效果，现在广泛使用金刚石表面金属化的方法改进金刚石工具性能。
金刚石表面金属化，即采用—定方法在金刚石表面镀覆—层金属或合金薄膜，可以使金刚石在眙槲中实现冶金结合，显著提高金刚石在胎体中的粘结强度，有效提高金刚石工具的性能与质量。
金刚石表面合金合金化的方法主要有：1)化学镀和电镀：2)真空微蒸发镀：3)等离子溅射；4)确招涮：5)化学气相沉积i6)物理气相沉积：7)机械包覆或包覆后立即烧结：8)接触烧结等。
应用较多的是真空微蒸发镀、化学镀加电镀、机械包覆和接触烧结。
本方法采用真空微蒸发镀进行金刚石的表面合金化，适宜的工艺方法避免了传统微蒸发方法工艺繁琐、操作复杂、单次镀覆最少等缺点，单次镀覆量可以达到数十公斤，适合大批量工业生产。
并且覆盖面广，适用于铜、镍、钛、铬、钨等适宜进行金刚石镀覆的所有金属及其合金粉末。
通i j扫描电镜观夥阳磨削试验，结果表明：金刚石表面生成稳定的碳化物。
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Ξ 收稿日期 : 2002 - 09 - 24 第一作者 : 吴玉会 (1973 - ) , 女 , 硕士研究生
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金刚石表面化学镀和电镀金属镀层在 900 ℃ 空气气氛中对金刚石有良好的高温保护作用 , 在 1 050 ℃时 , 空气中的氧将穿透镀层与金刚石表 面碳原子发生氧化反应 , 使金刚石受到严重的热 腐蚀 ; 金 刚 石 表 面 化 学 镀 和 电 镀 金 属 镀 层 在 900 ℃真空中受热时 , 与未镀覆金刚石类似 , 只 受到微弱的热腐蚀 , 而在 1 050 ℃时 , 由于化学
Cladding on diamond
W U Y u2hui , L I Guo2bi n , L I Chang2long , W A N G Chu n2f ang
(School of Material Science and Engineering ,Hebei University of Technology ,Tianjin 300132 ,China)
2 常用镀覆技术
目前金刚石表面金属化的常用途径有 : 化学 镀加电镀 ; 真空蒸镀 ; 等离子溅射 ; 磁控溅射 ; 化学气相沉积 ; 物理气相沉积 ; 机械包覆等. 211 化学镀后再电镀
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[4 ] . 其工艺 流程方框图如图 2 所示.
镀层中的 Ni 、Fe 等合成金刚石的触媒元素的存 在 , 金刚石反而受到较强的热腐蚀[1 ] .
金刚石 ↓清洁 粗化与亲水化处理 ↓漂清 敏化 - 活化 (胶体钯直接活化法) ↓漂清 解胶与还原处理 ↓漂清 化学镀 Ni
↓ 电镀 Ni - Co
↓ 化学镀 Ni + 电镀 Ni - Co 覆层 图 2 金刚石表面化学镀2电镀覆层金属化实验过程示意图 Fig. 2 Process of electroless2electroplateimg on diamond
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 物导入放有镀件的反应室内 , 与镀件接触发生热 分解或化学合成反应而形成镀层.
此种方法如果用于金刚石镀 Ti , 镀层与金 刚石发生化学反应 , 形成了强力冶金结合 , 单反 应温度一般在 900 ℃～1200 ℃, 损伤金刚石 , 同 时与 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 , 镀覆成本高的问题. 214 真空微蒸发镀
Abstract :In t his paper t he t heory and model of cladding onto diamond are mainly int roduced. In t he meantime several fabricated ways are mentioned. These ways include : elect roless2elect roplat2 ing ,PVD ,CVD ,t he vacuum evaporation plating and power covering plating. We also compared all kinds of ways which are mentioned above. From t he view of applied result s ,t he vacuum evapora2 tion plating ,power covering plating and t he low2temperat ure elect roplating can increase t he tools life2span. Key words : diamond ; cladding ; plating layers
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 , 称为真空物理气 相沉积 , 简称 PVD. 根据成膜材料气化方式不 同又可分为真空蒸发镀 , 真空溅射镀及真空离子 镀. 最强有力的真空镀方法是真空离子镀. 用溅 射源取代蒸发镀膜机的蒸发源即成为溅射镀膜 机. 利用辉光放电或离子源产生的中性荷能粒子 轰击待镀金属的薄膜靶材 , 使靶材表面原子获得 大于本身电离能的撞击能量而被打出 , 向运动的 金刚石颗粒表面溅射堆积成膜. 比蒸发原子或分 子的平均能量大数十倍的溅射离子增加了膜层的 成核密度 , 提高了表面原子迁移率及体扩散 , 使 膜层性能及附着力增强. 在溅射镀膜机上增设离
1) 提高结合剂对金刚石的粘结能力. 镀层在 两者之间起结合桥的作用 , 将金刚石与结合剂牢固 结合起来 , 提高磨料与结合剂之间的结合强度.
2) 提高磨料的颗粒强度. 镀层起补强 、增 韧作用 , 金刚石内部缺陷 , 微裂纹 , 微小空洞可 通过充填碳化物膜得到弥补 , 强度提高.
3) 隔离保护作用. 在高温烧结和高温磨削 时 , 镀层可以隔离保护金刚石不发生石墨化 、氧 化石表面金属化
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已表面金属化的金刚石晶体 , 从内向外 , 第 一层是生成碳化物层 , 一般厚度在几百至上千 ! , 它强固的附着在金刚石表面上. 这层的结构 完美是金刚石表面金属化的关键和核心. 第二层 为合金化层 , 是针对生成碳化物层特点而设计 , 它对所生成的碳化物有极好的粘结性 , 可以选取 Ni 、Co 、Cu 等合金. 合金化层的形成 , 使金刚 石表面呈现完美的金属特性 : 可导电性 、可焊接 性 、可烧结性. 中层合金化层的厚度可以是几微 米. 第三层是电镀层 , 主要是考虑到金刚石工具 中合金胎体与金刚石线膨胀系数的极大差异而设 计 , 热压后含金刚石固块在冷却中会产生很大的 内应力 , 为了使内应力得到一定程度的缓解 , 对 于刚性较大的胎体 , 增加几十微米厚的电镀层是 非常有益的[2 ] . 112 金刚石表面金属化有以下的作用
免 Fe 、Co 、Ni 等石墨化元素与金刚石直接接 触 , 否则将造成碳化物层生长在石墨层上 , 使结 合强度降低. 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. 两相结合问题 , 最重要的是界面结构. 如图 1 所示是金刚石表面金属化的模型
图 1 金刚石表面金属化模型 Fig. 1 Model of cladding onto diamond
PVD 法用于颗粒状磨料表面镀钛存在以下 问题 :
1) 单次镀覆量低. 真空下从蒸发源高速运 动的金属粒子只能沉积到堆积的金刚石表层 , 不 能深入到内部沉积.
2) 因为各类 PVD 方法镀覆过程中金刚石的 温度低于 500 ℃, 达不到钛与金刚石反应形成碳 化钛所需的 600 ℃以上温度 , 所以镀后镀层与金 刚石之间只是物理附着 , 无化学冶金结合. 213 化学气相镀 CVD
金刚石表面金属化
吴玉会 , 李国彬 , 李长龙 , 王春芳
(河北工业大学 材料科学与工程学院 , 天津 300132)
摘要 : 主要介绍了金刚石表面金属化原理 、模型及作用 , 以及金刚石表面金属化的几种制备 方法 : 化学镀加电镀 、真空物理气相沉积镀 、化学气相镀 、真空蒸发镀 、粉末覆盖烧结镀 覆 , 并对各种镀覆方法的镀覆特征和应用效果作了比较. 从应用情况看 , 真空微蒸发镀覆技 术 、粉末覆盖烧结镀覆和低温电镀均可以显著提高工具寿命. 关键词 : 金刚石 ; 表面金属化 ; 镀层 中图分类号 : T G13515 文献标识码 : A Ξ
化蒸发金属粒子装置 , 使成膜前千分之几至百分 之几的离子被电离成正离子 , 能量达数百电子伏 特. 离子轰击使金刚石表面进一步净化 , 并产生 晶向溅射 、离子注入 、化合物及活性反应等物理 化学过程. 以研究运用这项新工艺开发的金刚石 单晶新品种使膜层耐 850 ℃～900 ℃高温 , 提高 金刚石使用效果 20 %以上[5 ] .
真空微蒸发镀的主要技术原理是在每个颗粒 周围形成均匀气相环境 , 从根本上解决了用传统 的 PVD、CVD 方法由于单一物质发射源不能对堆 积颗粒状物质单次大批量镀覆的问题 , 镀层均匀 ,
无漏镀. 工艺参数选择在化合物可以稳定生成的 温度 , 又不使金刚石受热损伤的范围 (650 ℃～ 750 ℃) , 使化合物在镀覆过程中生成 , 控制金属 沉积速度 , 促使生成的化合物沿界面扩展 , 形成 完整覆盖金刚石表面的薄连续膜 , 具有了最高界 面结合强度和良好抗结合剂侵蚀能力[5] . 215 粉末覆盖烧结镀覆
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64 天 津 理 工 学 院 学 报 18 卷
1 金刚石表面金属化原理与作用
111 原理与模型 在金刚石表面通过物理或化学方法镀覆某些
强碳化物形成元素如 W 、Ti 、Cr 或合金 , 则这 些金属或合金在高温下能和金刚石表面碳原子发 生界面反应 , 生成稳定的金属碳化物. 这些碳化 物一方面与金刚石表面存在较好的化学键合 , 另 一方面能很好地被胎体金属浸润 , 能大大增强金 刚石与胎体之间的结合力. 此外金刚石表面镀覆 的金属或金属碳化物具有防护作用 , 镀层可隔绝 金刚石与氧的直接接触 , 防止金刚石高温下被氧 化[1 ] . 为了达到金刚石与金属的强力冶金结合 , 需要在金刚石颗粒表面形成碳化物层 , 同时应避
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 (在常温常压下 , 金刚石呈亚稳态晶体 , 具有解理性其表面有裂纹 、气孔 、杂质等缺陷) , 提高颗粒强度 , 缓冲热冲击. 但金刚石表面化学 镀 Ni 、Co 、Cu 不适用于金属结合剂工具 , 即使 镀 Ni2W 、Co2W 合金的产品也不能用于金属结 合剂工具 , 因为表面镀 Ni 的金刚石在制造金属 结合剂工具过程中 , 温度和压力条件处于金刚石 热力学非稳定区 , 作为触媒金属的 Ni 有可能在 此条件下促使金刚石晶格发生逆转变. 生产实践 中已观察到 , 用含有大量 Ni 、Co 元素的金属结 合剂制造工具 , 在 900 ℃～1000 ℃烧结温度下金 刚石表面已严重石墨化. 212 真空物理气相沉积镀 PVD