文档介绍：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; 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 90 0 ,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