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。

(1)成分条件

按金属与金刚石的相互作用可将金属分为三类：①石墨化元素：元素周期表中第

ⅧB族元素如Fe、Ni、Co等是碳的溶剂，在高温超高压条件下，此类元素能促

进石墨转变成金刚石，是触媒元素。但其触媒作用是双向的，即在高温常压下，

这些元素会促进金刚石石墨化。烧结的过程中，在石墨化元素的作用下，金刚石

在700℃时开始发生石墨化现象，1000℃时发生严重的石墨化。包含有石墨化元

素的结合剂在热压的过程中会出现严重侵蚀金刚石的问题，导致金刚石强度迅速

下降。根据钛镀层纯度实验结果表明：钛镀层中在含有有不到1％的Fe、Co、Ni

等石墨化元素存在时，就会强烈降低镀层与金刚石之间的结合强度。②碳化物形

成元素：碳可与一些过渡族金属(Ti、Mo、Nb、W、V、Cr等)形成碳化物，且3d

空轨道愈多，愈易于结合。这些碳化物形成元素及合金在合适的工艺条件下与金

刚石中的碳发生反应形成碳化物，外延生长在金刚石表面，可实现这些过渡金属

与金刚石之间的化学键合。③不作用的“惰性”元素主要有：Sn、Cu、Zn等低

熔点元素及其合金是金刚石工具中比较常用的结合剂成分，但他们与金刚石之间不发生化学反应，而且其浸润角大于900，与金刚石的粘结性非常差。金刚石只有机械地镶嵌在这类结合剂中，易脱落流失。

(2)结构条件

为了实现金刚石与金属的良好的冶金结合，在金刚石颗粒表面形成碳化物层，只有Ti、V、Cr、Mo、Nb、W等强碳化物形成元素才能达到这样的目的，同时还必须避免Fe、Co、Ni等一些石墨化元素与金刚石表面的直接接触，否则碳化物层就会生长在石墨层上，从而不能达到强力冶金结合的目的。所以金刚石与金属冶金结合的结构条件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实际上是原子在金刚石表面扩散的过程，碳化物形成量是有反应过程的温度与时间以及PH决定的。胎体与金刚石之间的结合依靠的是碳化物形成在金刚石上，但是碳化物的形成是受原子扩散迁移控制的，需要在一定温度下经过较长时间的界面反应。金刚石与镀覆金属产生冶金结合的前提条件是必须使金刚石表面外延生长-即形成均匀、连续、轻薄的碳化物层，此过程需一定时间、温度，对PH也有一定的要求，且不能有石墨化元素存在。由于在结合剂中通过直接加入碳化物形成元素进行真空液相烧结的方法不仅流程工艺条件苛刻，不适合进行大规模工业化生产。因此在烧结之前，生产表面镀覆金属的金刚石即金刚石表面镀覆Ti、V、Cr、Mo、Nb、W及合金的金刚石是非常必要的。在镀覆金属过程中，一定的真空、温度、时间PH条件下使金刚石表面外延生长在可控厚度的碳化物层。作为中间产物，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℃)，TiC

Cr／金刚石：>873K(600℃)，Cr3C2、Cr7C3

W／金刚石：>973K(700℃)，WC、W2C

Mo／金刚石：>923K(650℃)，MoC、M02C

由于合成金刚石晶体所含包裹体为触媒元素，温度较高(>800℃)时由于触媒的双向作用，金刚石开始有石墨化倾向，使金刚石的强度出现下降趋势，且随着时间延长而加剧，但是如果温度过低，则很难形成碳化物。因此，要使镀后金刚石与镀层形成强力结合，界面必须形成相应的碳化物，这样镀覆温度应该高于600℃。为了避免对金刚石表面的热损伤，镀覆温度又必须低于900℃。可见最理想的镀覆温度为600～900℃。

1.2金刚石表面镀覆的金属化原理

金刚石表面金属化定义为使金刚石表层具有金属性,金刚石经表面镀覆处理会使金刚石表面金属化。金刚石的金属性主要指优良的导电导热性和良好的延展性，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。

对金刚石进行表面金属化的原因是因为金刚石与金属之间靠共价键结合，他们之间有很高的界面能，因此其表面不能被低熔点金属或合金所浸润，并且金刚石热膨胀系数远远小于金属基体结合剂的热膨胀系数，使得金刚石磨料与一般金属的粘结能力很差。金刚石与基体结合剂之间没有界面结合力，仅靠基体对金刚石的