金刚石微粉表面镀覆研究进展

代晓南，何伟春

(河南工业大学，河南　郑州　450000)



金刚石微粉表面镀覆研究进展

代晓南，何伟春

(河南工业大学，河南郑州450000)

用于金刚石表面镀层的金属主要有铜、钛、镍、钨、钼、银等，不同程度的提高了金刚石颗粒的抗压强度、磨具的导热系数、使用寿命。对金刚石表面镀覆的工艺也有很多，主要有：化学镀、电镀、磁控溅射、真空蒸镀等。由于研磨液、精磨片、线锯等对金刚石颗粒的粒度要求比较细，这就需要对细粒度金刚石表面镀覆，但目前工业上最细能做到5～10 μm，且其性能还不是太好，因此应加大对细粒度金刚石微粉镀覆的研究力度。

金刚石；表面镀覆；镀覆工艺；研究现状

人造金刚石的主要化学成分是碳，它与石墨同属于碳的同素异构体。其晶型可分为八面体、立方体、立方-八面体聚形等。化学性质为：疏水性、常温下化学稳定性、高温下氧化性，当加热到一定温度时出现石墨化现象。化学性质：金刚石的硬度在旧莫氏标度上为10级，在新莫氏标度上为15级，维开尔硬度值约为100 GPa，努氏硬度值为90 GPa，在任何一种标度上金刚石都是最硬的物质。抗压强度大约为3～5 GPa，压痕法测得的抗压强度值为1.3～2.5 GPa，具有最高的弹性模量和最小的压缩系数。由于金刚石的这些性质，广泛用于磨具、切割片的制造，其使用性能比普通磨料制品提高了很多。按照现行国家标准GB/T7990-1998的规定，粒度等于或细于54 μm的金刚石粉，称为金刚石微粉。它的主要应用有：直接使用或制成研磨膏，进行自由研磨或抛光，可以达到镜面光洁度；作为制造大颗粒聚晶的原料；将微粉镀在工件表面增加耐磨性。

在1965年，尼柯都尔根据磨削机制提出金刚石磨粒经表面镀覆后可提高砂轮的使用寿命50%以上的依据后，人们对镀覆金刚石重新产生了兴趣。1966年以后De Beer公司及美、苏等国都出现镀铜和镀镍的磨料。这种磨料最初应用于树脂磨具并获得了很大成功，后来发展了钛、银、钨、钼等金属的镀覆磨料并扩大到烧结金属结合剂、电镀金属结合剂、陶瓷结合剂磨具及锯片、钻头等金刚石制品。镀层赋予金刚石所需要的各种特有的物理化学性能，不仅可以提高金刚石颗粒强度以及与结合剂的结合强度，还有对金刚石表面的宏观隔离保护作用和对金刚石结构的微观侧面支撑作用，从而有利于防止金刚石在使用过程中被氧化和石墨化。特别是在树脂结合剂磨具中，镀层的热导率介于金刚石和树脂之间，可以有效地减缓磨削热脉冲对树脂造成的热损伤，从而显著延长其耐用度，使树脂磨具的使用寿命提高50%～100%。

1　金刚石颗粒镀覆及研究现状

1.1镀层材料的选择

镀层作为增强材料包裹与金刚石颗粒表面，对其在磨具中主要性能的改善有很重要的作用。王秦生[1]研究表明其作用机理有：①镀层可以提高磨料的颗粒强度；②镀层可以提高磨料与结合剂的结合强度；③镀层对磨料起隔离保护和阻止石墨化的作用；④镀层赋予磨料有益的物理性能。而在实际应用中镀层的具体作用体现与镀层材料有着密切的联系，镀层材料本身的性能、与磨料之间的化学物理作用、镀覆所需的工艺条件等，对会对实际应用产生一定的影响，这就需要对其做比较深入的研究。

Y.H.Wang[2]利用真空气相沉积法在金刚石磨料表面镀钛，并通过各种检测设备对钛层的作用进行了深入的研究。结果表明：镀钛后金刚石颗粒的强度提高了约20%，磨粒脱落率由60%下降到20%，与结合剂的结合力提高了约24%～50%，很大程度的节约了生产成本。徐湘涛[3]用镀镍金刚石磨粒制作树脂结合剂磨具，与未镀镍金刚石制作的磨具相比，生产效率高、磨耗少，工作表面质量优、使用寿命延长了1.3倍，且比镀铜金刚石磨具的使用效果还好。Tani Yasuhiro[4]开发了部分金刚石镀镍的磨具，即采用镀镍和不镀镍金刚石磨料混合使用制作磨具。并对其应用等性能进行研究，结果表明：使用这种混合磨料可以避免单独使用一种磨料所产生的问题同时耐磨性也得到了提高。镀镍层对提高金刚石磨具的性能是有很重要的影响的，但就不同种类的磨具、切割对象、制备工艺还应做具体的分析。Yujun，Zhang[5]对镀铜金刚石进行研究，发现化学镀铜可以获得分散性好的镀铜金刚石颗粒，还能提高磨具的相对密度及导热系数，试验中制备的磨具导热系数高达404 W/(m·K)。Mu-Tse Lee[6]对电镀银金刚石的性能及在高集成电子设备中潜在的应用进行了研究，用该磨料制作磨具并对其性能进行检测发现导热系数为420 W/(m·K)，热膨胀系数为12 ppm/K。可见镀银金刚石具有较高的导热系数和较低的热膨胀系数。金刚石镀覆金属可以有效的改善金刚石的性能，但为了更进一步提高金刚石各方面的性能，一些专家对金属合金镀层进行了研究。

Bin Lin[7]对铜钛合金镀覆金刚石进行了研究，即先利用熔盐法在金刚石表面镀一层钛，然后利用真空溅射再镀一层铜，最后研究铜-钛-金刚石间的微观结构。俄歇电子能谱表明：该系统中金刚石与钛层之间形成碳化钛层；钛和铜之间，铜扩散到钛层内形成钛/铜复合界面。这很大程度的增加了金刚石与镀层及镀覆金刚石与金属结合剂间的结合力。为改善金刚石/铜复合材料中金刚石颗粒与结合剂之间的结合力，Q,L,Che[8]用镀钛金刚石替代裸钻并对其微观结构、界面结构、热性能等进行研究。发现金刚石/铜之间形成了金刚石/TiC/Ti/CuTi/Cu的结构，提高了界面的结合力。Tan.Lirong[9]采用滚镀法在金刚石表面镀覆镍铁合金，其中铁的含量在13.62%～17.52%之间。通过检测发现用铁镍合金镀后的金刚石比镀之前的强度增加了很多，且其强度随铁含量的增加而增加。该技术不仅实现了改善金刚石磨料使用性能的目的，同时还很大程度的节约了生产成本。Wang,Y.H[10]对钛镍合金镀覆金刚石进行了研究，先使用真空气相沉积对金刚石颗粒表面镀钛，然后电镀镍。通过研究发现金刚石与镀层及结合剂与镀覆金刚石间的结合力都很强，其可以很好的被钎料润湿，因此可以很牢固的钎焊在金属基体上且拉伸强度为140 MPa。

可见镀层材料应用最为广泛的是镍镀层，其在提高金刚石颗粒与结合剂的结合力、提高磨具的使用寿命、增加磨粒的强度等方面都有很好的表现，且镀镍很好操作、工艺简单。同时还可采用部分镀镍磨具，或镍铁合金镀覆来降低成本。最重要的是可以利用钛镍合金镀覆在金刚石和镍镀层间形成碳化钛来增加镀层与金刚石颗粒间的结合力，同时可以增加镀覆金刚石及磨具的导热系数。相对来说钛镍合金镀覆金刚石的可操作性更强，在今后应当加强这方面的研究。

1.2镀覆方式的研究

金刚石表面镀覆就是采用先进的镀覆工艺，对金刚石颗粒进行表面处理并形成一层金属层的技术。根据不同的工艺镀覆方式又有许多种类，常见的有：化学镀、电镀、磁控溅射镀覆、真空蒸镀、盐浴法、溶胶凝胶法等。

Weida Hu[11]利用溶胶凝胶技术在金刚石颗粒表面镀二氧化钛/氧化铝薄膜，通过研究发现由该镀覆磨料制备的磨具，其体积膨胀系数由6.2%下降到3.4%、孔隙率由35.7%下降到25.7%、磨具硬度由61.2HRC增加到66.5HRC、磨削比由11.5增加到19.1，很好的改善了金刚石磨料的使用性能。燕山大学超硬材料研究室与1991年完成国家重点攻关项目：超硬材料镀覆技术及设备即真空微蒸发技术[12]。Jianwei Li[13]利用镀钛金刚石为原料，采用气压渗透法制备铜/金刚石复合材料，其在323 K时的导热系数为716 W/(m·K)，热膨胀系数为5.8 ppm/K。研究结果表明：镀钛层可以显著促进铜和金刚石之间的结合，改善热传导性能，同时可以证明气压渗透法是生产铜/金刚石复合材料的有效方法。JianhuaYao[14]对激光辐照在冷喷雾沉积Ni60/金刚石复合材料的影响进行了研究。实验结果表明：由于激光辐照可以抑制金刚石石墨化，因此在其作用下用冷喷雾工艺可以成功制备出Ni60/金刚石复合材料。朱选敏[15]利用化学镀覆工艺，制备出了颗粒大小均匀、分散性良好、镀层质量好的Ni-Mo-B镀覆金刚石。

电镀镀覆的镀层较厚降低了加工效率；磁控溅射法的镀层与磨粒没有化学键合、加工过程中需要多次镀覆且价格昂贵；真空蒸镀法镀层与磨粒的结合力更小，且容易脱落[16]可操作性能差。虽然这些工艺的研究已经很多，也取得了一定的成果，但由于可操作性、复杂性、不稳定性等因素的原因，离实现工业化生产还有一定距离，需要继续深入研究。化学镀作为比较传统的镀覆工艺，适用性强、应用广泛。其主要用途是利用镀层的导电性可做为电镀超硬磨料的底层，而化学镀覆的微粉磨料可用于树脂磨具的制造。在实际生产中，通常情况是先采用化学镀工艺在金刚石表面镀一层金属为底层，然后再电镀等方法镀覆另一层金属，以尽最大可能的改善金刚石的使用性能。

1.3细粒度金刚石颗粒镀覆现状

目前对较粗颗粒金刚石镀覆的研究已经比较成熟，但就微米级金刚石镀覆，尤其是10微米以细金刚石颗粒镀覆的技术还有所欠缺，如镀层不均匀、镀后颗粒容易团聚等。国内一些企业也就做到5～10微米，但还不能保证镀后性能的稳定。镀覆金刚石微粉在工业生产中有很重要的应用领域如：加工光学玻璃的金刚石磨片、抛光及精磨石材或瓷砖的金刚石抛磨工具、用于刃磨的金刚石精细磨轮等工具中都需要细粒度金刚石，但如果能采用镀覆金刚石微细颗粒那么这些工具的使用性能将会得到很好的改善。

就细粒度金刚石镀覆的研究也有一些很好的成果，陆静[17]采用准原子层堆积的方法在纳米金刚石表面镀钛，以四氯化钛气体和氢气为前驱通过循环反应获得镀层。实验表明纳米金刚石表面的硅镀层非常均匀完整，硅镀层越厚均匀性越好对纳米金刚石的保护作用越明显。燕山大学超硬材料研究室[18]多年来致力于超硬材料镀覆技术的研究，利用真空微蒸发技术首先实现细达5微米的金刚石镀钛生产。任春春[19]利用化学镀镍的方法制备镀覆金刚石微粒(5～10微米)，在合适的工艺条件下可得到结构紧密、包覆完整、分散良好的镀镍金刚石微粒。其表明利用传统的化学镀镍法，在合适的工艺条件下同样可以在表面积非常大的金刚石微粒上镀镍，并得到很好的镀层。

尽管一些研究已经可以对5～10微米金刚石颗粒镀覆，但其产品性能还不够稳定，距真正投入生产还有一定距离，尤其是5微米以细金刚石颗粒的镀覆。在今后的研究中应加深对细粒度金刚石表面镀覆工艺的研究，以早日在实际生产中得到充分的应用。

2　结　论

(1) 对金刚石颗粒表面镀覆金属不仅可以提高金刚石的抗压强度、增加与结合剂的结合力，还可以很好的提高磨具的导热系数、降低热膨胀系数、改善磨具的使用性能。可最为镀层原料的金属种类很多，尤以钛镍合金的应用最为广泛，因为它的性能优越且便于生产。

(2) 制备镀覆金刚石的工艺种类很多且各有利弊，但总体来说化学镀、电镀的操作简单、成本，而广泛使用。为最大可能的发挥镀层的作用，一般先用化学镀法在金刚石表面镀一层金属然后再用电镀法镀覆。

(3) 目前对金刚石表面镀覆金属的技术已经比较成熟，但对于较细粒度的金刚石(10微米以细)镀覆工艺的研究还不足，在今后的研究中应加深对细粒度金刚石表面镀覆工艺的研究，以早日在实际生产中得到充分的应用。

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Review on Diamond Powder Surface Plating

DAIXiao-nan,HEWei-chun

(Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450000, China)

Copper, titanium, nickel, tungsten, molybdenum, silver, etc., are mainly used for diamond surface coating. These coating can enhance the compressive strength of diamond grains, the coefficient of thermal conductivity of grinding tool, service life, increase the binding force between the diamond abrasive and binder. There are a lot of different diamond surface plating processes, mainly included chemical plating, plating, magnetron sputtering, vacuum deposition, etc. Small size of diamond particle is required in grinding fluid, fine grinding and wire saw, so this needs fine grain diamond surface plating, but 5～10 μm is the smallest size in the industry at present, and its performance is not very good, so the study of fine grain diamond micro powder coating should be stepped up.

diamond; surface plating; coating technology; research status

O61

A

1001-9677(2016)05-0041-03