摘要:
通过对金刚石进行表面处理的方法来改善金刚石磨具的加工特性,进而达到提高其加工效率和使用寿命,是上世纪70年代以来国内外学者研究的热点。人们研究和探索了各种不同的表面处理材料和加工工艺,并逐渐开始关注金刚石表面处理过程的机理研究和处理前后的性能改变。本文在国内外相关文献资料的基础上,综述了该领域在使用材料到镀覆工艺的应用和发展情况,并介绍了一些在该领域的最新研究成果。
关键词:
金刚石;表面处理;结合性能。
01
前言
由于具有高硬度、高强度,高耐磨性以及线膨胀系数小等一系列优异的物理化学特性,金刚石在磨削加工领域得到日愈广泛的应用。但是在常温常压下,金刚石为亚稳定态,其耐热性不高,且存在一些表面缺陷,在加工过程中常会发生氧化失重或石墨化等反应，从而降低加工效率。另外,由于磨具中金刚石磨粒与结合剂之间一般是机械地镶嵌,在磨削力的作用下金刚石磨粒极易脱落,而使磨具的使用寿命大打折扣。因此如何提高金刚石磨具的加工效率和使用寿命,就成为人们研究的热点之一。
从上世纪70年代开始,国内外的学者做了大量的研究,并开始采用对金刚石进行表面处理的方法来改善金刚石磨具的加工特性,进而达到提高其加工效率和使用寿命的目的。在对金刚石进行表面处理的过程中,人们所采用的材料和工艺也各不相同,从最初单一的金属元素到合金元素,以及后来的非金属材料,在镀覆工艺上也经历了从化学镀到真空微蒸发镀等多种方式。
02
表面处理材料及工艺的发展
目前,金刚石表面镀层使用的材料主要是金属材料，所以有时候又称之为金刚石的表面金属化处理。其中根据使用场合的差异又可分为两种不同的情况:
(1)镀镍、镀铜的金刚石适用于树脂结合剂的砂轮;
(2)镀钛、镀钨、镀铬等的金刚石则适用于金属和陶瓷结合剂的砂轮。
在金刚石表面处理方面,燕山大学是较早开始研究的单位,也取得了很多在国内外领先的技术成果。王明智等采用真空微蒸发镀对金刚石进行表面镀Ti。并通过原子力显微镜(AFM)、X)射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等分析了镀覆过程及镀层结构。在真空微蒸发镀覆过程中镀层与金刚石形成了碳化物,从金刚石表面外延生长的碳化物在成分上和结构上是逐渐过渡的,与镀层金属或合金并没有明显的几何界限,这是实现镀层与金刚石牢固结合的关键因素。
在此基础上进一步证明了在正常温度下可以大幅度降低金刚石在实验条件下的脱落率,提高了小块破碎率;但实验也同时指出,镀覆温度过高会造成金刚石大块破碎率异常增加进而影响磨具的使用性能。
与在金刚石表面镀覆Ti、Mo、V、W、Cr等强碳化物形成元素使之在金刚石表面生成一层碳化物从而形成化学结合不同,在金刚石表面镀覆Cu这样的非强碳化物生成元素,无论对什么样的结合剂,其结合强度总是下降的,这是因为金刚石本身对Cu的浸润性很差。但另一方面,由于在金刚石表面的这层Cu/金属衣0可以吸收、消散砂轮磨削过程中的磨削热,从而可以提高金刚石砂轮的耐磨性。叶晓川运用化学镀工艺对金刚石进行表面镀铜,他们的研究表明,一次镀镀层形貌松散,多次镀镀层形貌紧密,镀层铜呈晶态,磨削实验也表明镀铜金刚石的耐磨性明显优于未镀金刚石,多次镀铜更适合于树脂结合剂砂轮。
值得注意的是,燕山大学的赵玉成等人于1999年开发了一种新型的金刚石表面镀覆材料。他们采用刚玉对金刚石进行镀覆,其特征是刚玉颗粒凹凸不平,与金刚石可以牢固结合。试验证明可以提高树脂基体对金刚石的把持力,至少延长其使用寿命15%;同时可提高单颗粒抗压强度12.3%~65.4%;另一方面,由于刚玉自身的脆性又可以在延长磨具使用寿命的同时保留了良好的自锐性,提高了切削效率,从而在不影响磨具使用效率的前提下,可以减少金刚石的用量,进而降低了的制造成本。
中南大学的刘雄飞等人利用横向断裂强度试验及扫描电镜分析,研究了磁控溅射镀Ti、Mo及Cu金刚石在Fe基、Ni基及Co基结合剂中的界面结合状态。结果表明,金刚石表面镀覆金属后,金刚石镀膜后能够提高其单颗粒抗压强度,并对金刚石具有良好的保护作用,避免或减小了结合剂对金刚石的侵蚀。
镀覆Ti、Mo后,能够提高金刚石与结合剂的结合强度,但与结合剂的成分以及热压工艺有很大的关系。在830~840e的热压条件下,镀层金属与金刚石可能形成局部的化学结合(见图1、2),但大部分镀层金属未能与金刚石反应生成碳化物,而是熔解、扩散到结合剂中,从而结合强度的提高不是很明显。而在金刚石表面镀覆Cu这样的非强碳化物生成元素,对金属结合剂而言,其结合强度和横向断裂强度则是下降的。
图1 末镀覆金刚石断口形貌
图2 镀Ti金刚石断口形貌
03
金刚石表面处理的作用机理及性能的改变
金刚石表面金属化处理是一个(物理)化学过程,该过程与镀层金属的活性和粒度有关。因为活性细颗粒镀层金属在毛细管力的作用下,有可能填补金刚石表面存在的微裂纹缺陷,将应力集中的微裂纹充满金属粒子,使缺陷的有害影响得到缓和,因而镀层金刚石的强度得到提高。
这是湖南省冶金材料研究所的黄炳南等人的研究成果。他们利用X射线衍射仪和电子探针研究了金属-金刚石界面的组织结构和形貌。X射线衍射分析结果证明,在镀Ni、Ti的金刚石界面上有Ni3C和TiC化合物。与此同时,镀Ni、Ti的金刚石改变了粘结剂中的结合形貌,在它们之间形成了致密的结合层,这不仅改变了它们之间的结合状态,缓解了应力集中,同时还提高了结合强度,即从单一的机械结合改变为机械结合与化学结合的总和,因此可以大大提高它的结合强度。
中南工业大学的胡国荣对化学镀Ni-W-P,化学镀Ni-W-P后电镀Fe-W的金刚石在空气和真空中进行高温热处理,用扫描电镜观察热处理之后的表面形貌,分析了镀覆金刚石的高温耐蚀性及热腐蚀机理。
研究表明,金刚石表面镀层在900e空气气氛中对金刚石具有良好的高温保护作用,但在1050e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;与之相对应的是,镀层金刚石在真空状态下,在900e加热时,与未镀覆金刚石类似,只受到微弱的热腐蚀,而在1050e时,由于化学镀层中的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。
另外该校的李晨辉等人利用抗弯强度试验及扫描电镜分析,研究了磁控溅射镀Ti金刚石在金属基结合剂中的界面结合状态。研究结果发现,在700e~840e热压条件下,Ti镀层难以跟金刚石形成强的界面结合,镀层大多扩散进入结合剂中,结合剂亦通过扩散到达金刚石表面,在抗弯试验中,镀层与结合剂一起被剥离金刚石表面。另一方面,镀Ti对含金刚石试样的抗弯强度影响在不同的结合剂中显着不同。
对金刚石而言,在表面镀覆金属或非金属材料时,其自身要承受镀膜处理时的高温作用或电化学作用,这种在低压或真空条件下的受热过程或电化学腐蚀过程将会因金刚石体内的杂质或包裹体的存在造成难以避免的热损伤。
中国地质大学的裴宇韬等人运用化学镀方法在金刚石表面镀覆Ni-W(Mo,Zr)-B合金膜,对镀膜前后的金刚石进行了热失重分析(TGA),结果表明镀覆后的金刚石的耐热性得到了显着的提高,镀层的热保护机制表现为隔氧和封闭金刚石表面/悬挂0C原子的双重作用。对于未镀膜金刚石,除了表面C原子与吸附的氧反应外,大量悬键C原子向基体合金中的溶解扩散是其强度降低的直接原因。
而对于镀膜金刚石镀层金属作为扩散阻挡层不仅隔离了氧原子,而且其中的粘结元素(W、Mo或Zr)与金刚石表面的悬键C原子反应形成相应的碳化物,封闭了悬键;因此镀膜金刚石的保留强度就要高许多。另一方面,镀膜与未镀膜金刚石的热损伤机制有本质的区别。镀膜金刚石以晶面侵蚀为特征,未镀膜金刚石则以体损伤为特点,后者对金刚石耐热性能的危害较前者要严重的多。见下图3、4。
图3 末镀金刚石热损伤形貌
图4 镀NI-W-B金刚石热损伤形貌
华侨大学的曹学功对镍-金刚石复合镀层耐磨性能进行了研究。比较不同添加剂或组合添加剂对复合镀层耐磨性的影响;研究不同硬质材料SiC和金刚石同时加入时,SiC不同加入量对镀层耐磨性影响。其结果表明,在镀液中同时添加一种阳离子表面活性剂和络合剂,能提高镀层的耐磨性。同时,添加金刚石和SiC的镀层比仅添加金刚石的镀层耐磨性差,SiC的加入量越多镀层的耐磨性越差。金刚石粗化和活化同时处理比仅活化处理更能够提高镀层的耐磨性。
04
总结
用对金刚石进行表面处理的方法来提高磨具使用效率和使用寿命,是金刚石磨具制造技术的一次重大飞跃。随着当前工业、建筑业的日益发展,金刚石工具的应用越来越广泛,消耗量也越来越大,因此有更多的学者在研究怎样更好的提高金刚石磨具的使用性能。
除了对金刚石表面处理外,对结合剂的选择和使用,各种制造工艺的探索,都已成为人们研究的对象。金刚石表面镀覆刚玉的新工艺已经实现工业化,并开始在树脂结合剂砂轮中得到使用。另外,作为一种新型结合剂,在光固化树脂结合剂的砂轮中应用表面镀覆Cu、Ni的金刚石磨料,在有关院校也已经开始了研究。相信随着研究的不断深入,各种新型镀覆材料的引进以及对金刚石表面处理的作用机理的认识逐渐加深,金刚石表面处理及其应用会得到更大的发展。