金剛石微粉表面鍍覆研究進展

代曉南，何偉春

(河南工業(yè)大學(xué)，河南　鄭州　450000)

?

金剛石微粉表面鍍覆研究進展

代曉南，何偉春

(河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州450000)

用于金剛石表面鍍層的金屬主要有銅、鈦、鎳、鎢、鉬、銀等，不同程度的提高了金剛石顆粒的抗壓強度、磨具的導(dǎo)熱系數(shù)、使用壽命。對金剛石表面鍍覆的工藝也有很多，主要有：化學(xué)鍍、電鍍、磁控濺射、真空蒸鍍等。由于研磨液、精磨片、線鋸等對金剛石顆粒的粒度要求比較細，這就需要對細粒度金剛石表面鍍覆，但目前工業(yè)上最細能做到5～10 μm，且其性能還不是太好，因此應(yīng)加大對細粒度金剛石微粉鍍覆的研究力度。

金剛石；表面鍍覆；鍍覆工藝；研究現(xiàn)狀

人造金剛石的主要化學(xué)成分是碳，它與石墨同屬于碳的同素異構(gòu)體。其晶型可分為八面體、立方體、立方-八面體聚形等?；瘜W(xué)性質(zhì)為：疏水性、常溫下化學(xué)穩(wěn)定性、高溫下氧化性，當加熱到一定溫度時出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象。化學(xué)性質(zhì)：金剛石的硬度在舊莫氏標度上為10級，在新莫氏標度上為15級，維開爾硬度值約為100 GPa，努氏硬度值為90 GPa，在任何一種標度上金剛石都是最硬的物質(zhì)?？箟簭姸却蠹s為3～5 GPa，壓痕法測得的抗壓強度值為1.3～2.5 GPa，具有最高的彈性模量和最小的壓縮系數(shù)。由于金剛石的這些性質(zhì)，廣泛用于磨具、切割片的制造，其使用性能比普通磨料制品提高了很多。按照現(xiàn)行國家標準GB/T7990-1998的規(guī)定，粒度等于或細于54 μm的金剛石粉，稱為金剛石微粉。它的主要應(yīng)用有：直接使用或制成研磨膏，進行自由研磨或拋光，可以達到鏡面光潔度；作為制造大顆粒聚晶的原料；將微粉鍍在工件表面增加耐磨性。

在1965年，尼柯都爾根據(jù)磨削機制提出金剛石磨粒經(jīng)表面鍍覆后可提高砂輪的使用壽命50%以上的依據(jù)后，人們對鍍覆金剛石重新產(chǎn)生了興趣。1966年以后De Beer公司及美、蘇等國都出現(xiàn)鍍銅和鍍鎳的磨料。這種磨料最初應(yīng)用于樹脂磨具并獲得了很大成功，后來發(fā)展了鈦、銀、鎢、鉬等金屬的鍍覆磨料并擴大到燒結(jié)金屬結(jié)合劑、電鍍金屬結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑磨具及鋸片、鉆頭等金剛石制品。鍍層賦予金剛石所需要的各種特有的物理化學(xué)性能，不僅可以提高金剛石顆粒強度以及與結(jié)合劑的結(jié)合強度，還有對金剛石表面的宏觀隔離保護作用和對金剛石結(jié)構(gòu)的微觀側(cè)面支撐作用，從而有利于防止金剛石在使用過程中被氧化和石墨化。特別是在樹脂結(jié)合劑磨具中，鍍層的熱導(dǎo)率介于金剛石和樹脂之間，可以有效地減緩磨削熱脈沖對樹脂造成的熱損傷，從而顯著延長其耐用度，使樹脂磨具的使用壽命提高50%～100%。

1　金剛石顆粒鍍覆及研究現(xiàn)狀

1.1鍍層材料的選擇

鍍層作為增強材料包裹與金剛石顆粒表面，對其在磨具中主要性能的改善有很重要的作用。王秦生[1]研究表明其作用機理有：①鍍層可以提高磨料的顆粒強度；②鍍層可以提高磨料與結(jié)合劑的結(jié)合強度；③鍍層對磨料起隔離保護和阻止石墨化的作用；④鍍層賦予磨料有益的物理性能。而在實際應(yīng)用中鍍層的具體作用體現(xiàn)與鍍層材料有著密切的聯(lián)系，鍍層材料本身的性能、與磨料之間的化學(xué)物理作用、鍍覆所需的工藝條件等，對會對實際應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響，這就需要對其做比較深入的研究。

Y.H.Wang[2]利用真空氣相沉積法在金剛石磨料表面鍍鈦，并通過各種檢測設(shè)備對鈦層的作用進行了深入的研究。結(jié)果表明：鍍鈦后金剛石顆粒的強度提高了約20%，磨粒脫落率由60%下降到20%，與結(jié)合劑的結(jié)合力提高了約24%～50%，很大程度的節(jié)約了生產(chǎn)成本。徐湘濤[3]用鍍鎳金剛石磨粒制作樹脂結(jié)合劑磨具，與未鍍鎳金剛石制作的磨具相比，生產(chǎn)效率高、磨耗少，工作表面質(zhì)量優(yōu)、使用壽命延長了1.3倍，且比鍍銅金剛石磨具的使用效果還好。Tani Yasuhiro[4]開發(fā)了部分金剛石鍍鎳的磨具，即采用鍍鎳和不鍍鎳金剛石磨料混合使用制作磨具。并對其應(yīng)用等性能進行研究，結(jié)果表明：使用這種混合磨料可以避免單獨使用一種磨料所產(chǎn)生的問題同時耐磨性也得到了提高。鍍鎳層對提高金剛石磨具的性能是有很重要的影響的，但就不同種類的磨具、切割對象、制備工藝還應(yīng)做具體的分析。Yujun，Zhang[5]對鍍銅金剛石進行研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)鍍銅可以獲得分散性好的鍍銅金剛石顆粒，還能提高磨具的相對密度及導(dǎo)熱系數(shù)，試驗中制備的磨具導(dǎo)熱系數(shù)高達404 W/(m·K)。Mu-Tse Lee[6]對電鍍銀金剛石的性能及在高集成電子設(shè)備中潛在的應(yīng)用進行了研究，用該磨料制作磨具并對其性能進行檢測發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)為420 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為12 ppm/K?？梢婂冦y金剛石具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)。金剛石鍍覆金屬可以有效的改善金剛石的性能，但為了更進一步提高金剛石各方面的性能，一些專家對金屬合金鍍層進行了研究。

Bin Lin[7]對銅鈦合金鍍覆金剛石進行了研究，即先利用熔鹽法在金剛石表面鍍一層鈦，然后利用真空濺射再鍍一層銅，最后研究銅-鈦-金剛石間的微觀結(jié)構(gòu)。俄歇電子能譜表明：該系統(tǒng)中金剛石與鈦層之間形成碳化鈦層；鈦和銅之間，銅擴散到鈦層內(nèi)形成鈦/銅復(fù)合界面。這很大程度的增加了金剛石與鍍層及鍍覆金剛石與金屬結(jié)合劑間的結(jié)合力。為改善金剛石/銅復(fù)合材料中金剛石顆粒與結(jié)合劑之間的結(jié)合力，Q,L,Che[8]用鍍鈦金剛石替代裸鉆并對其微觀結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、熱性能等進行研究。發(fā)現(xiàn)金剛石/銅之間形成了金剛石/TiC/Ti/CuTi/Cu的結(jié)構(gòu)，提高了界面的結(jié)合力。Tan.Lirong[9]采用滾鍍法在金剛石表面鍍覆鎳鐵合金，其中鐵的含量在13.62%～17.52%之間。通過檢測發(fā)現(xiàn)用鐵鎳合金鍍后的金剛石比鍍之前的強度增加了很多，且其強度隨鐵含量的增加而增加。該技術(shù)不僅實現(xiàn)了改善金剛石磨料使用性能的目的，同時還很大程度的節(jié)約了生產(chǎn)成本。Wang,Y.H[10]對鈦鎳合金鍍覆金剛石進行了研究，先使用真空氣相沉積對金剛石顆粒表面鍍鈦，然后電鍍鎳。通過研究發(fā)現(xiàn)金剛石與鍍層及結(jié)合劑與鍍覆金剛石間的結(jié)合力都很強，其可以很好的被釬料潤濕，因此可以很牢固的釬焊在金屬基體上且拉伸強度為140 MPa。

可見鍍層材料應(yīng)用最為廣泛的是鎳鍍層，其在提高金剛石顆粒與結(jié)合劑的結(jié)合力、提高磨具的使用壽命、增加磨粒的強度等方面都有很好的表現(xiàn)，且鍍鎳很好操作、工藝簡單。同時還可采用部分鍍鎳磨具，或鎳鐵合金鍍覆來降低成本。最重要的是可以利用鈦鎳合金鍍覆在金剛石和鎳鍍層間形成碳化鈦來增加鍍層與金剛石顆粒間的結(jié)合力，同時可以增加鍍覆金剛石及磨具的導(dǎo)熱系數(shù)。相對來說鈦鎳合金鍍覆金剛石的可操作性更強，在今后應(yīng)當加強這方面的研究。

1.2鍍覆方式的研究

金剛石表面鍍覆就是采用先進的鍍覆工藝，對金剛石顆粒進行表面處理并形成一層金屬層的技術(shù)。根據(jù)不同的工藝鍍覆方式又有許多種類，常見的有：化學(xué)鍍、電鍍、磁控濺射鍍覆、真空蒸鍍、鹽浴法、溶膠凝膠法等。

Weida Hu[11]利用溶膠凝膠技術(shù)在金剛石顆粒表面鍍二氧化鈦/氧化鋁薄膜，通過研究發(fā)現(xiàn)由該鍍覆磨料制備的磨具，其體積膨脹系數(shù)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，很好的改善了金剛石磨料的使用性能。燕山大學(xué)超硬材料研究室與1991年完成國家重點攻關(guān)項目：超硬材料鍍覆技術(shù)及設(shè)備即真空微蒸發(fā)技術(shù)[12]。Jianwei Li[13]利用鍍鈦金剛石為原料，采用氣壓滲透法制備銅/金剛石復(fù)合材料，其在323 K時的導(dǎo)熱系數(shù)為716 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為5.8 ppm/K。研究結(jié)果表明：鍍鈦層可以顯著促進銅和金剛石之間的結(jié)合，改善熱傳導(dǎo)性能，同時可以證明氣壓滲透法是生產(chǎn)銅/金剛石復(fù)合材料的有效方法。JianhuaYao[14]對激光輻照在冷噴霧沉積Ni60/金剛石復(fù)合材料的影響進行了研究。實驗結(jié)果表明：由于激光輻照可以抑制金剛石石墨化，因此在其作用下用冷噴霧工藝可以成功制備出Ni60/金剛石復(fù)合材料。朱選敏[15]利用化學(xué)鍍覆工藝，制備出了顆粒大小均勻、分散性良好、鍍層質(zhì)量好的Ni-Mo-B鍍覆金剛石。

電鍍鍍覆的鍍層較厚降低了加工效率；磁控濺射法的鍍層與磨粒沒有化學(xué)鍵合、加工過程中需要多次鍍覆且價格昂貴；真空蒸鍍法鍍層與磨粒的結(jié)合力更小，且容易脫落[16]可操作性能差。雖然這些工藝的研究已經(jīng)很多，也取得了一定的成果，但由于可操作性、復(fù)雜性、不穩(wěn)定性等因素的原因，離實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還有一定距離，需要繼續(xù)深入研究?；瘜W(xué)鍍作為比較傳統(tǒng)的鍍覆工藝，適用性強、應(yīng)用廣泛。其主要用途是利用鍍層的導(dǎo)電性可做為電鍍超硬磨料的底層，而化學(xué)鍍覆的微粉磨料可用于樹脂磨具的制造。在實際生產(chǎn)中，通常情況是先采用化學(xué)鍍工藝在金剛石表面鍍一層金屬為底層，然后再電鍍等方法鍍覆另一層金屬，以盡最大可能的改善金剛石的使用性能。

1.3細粒度金剛石顆粒鍍覆現(xiàn)狀

目前對較粗顆粒金剛石鍍覆的研究已經(jīng)比較成熟，但就微米級金剛石鍍覆，尤其是10微米以細金剛石顆粒鍍覆的技術(shù)還有所欠缺，如鍍層不均勻、鍍后顆粒容易團聚等。國內(nèi)一些企業(yè)也就做到5～10微米，但還不能保證鍍后性能的穩(wěn)定。鍍覆金剛石微粉在工業(yè)生產(chǎn)中有很重要的應(yīng)用領(lǐng)域如：加工光學(xué)玻璃的金剛石磨片、拋光及精磨石材或瓷磚的金剛石拋磨工具、用于刃磨的金剛石精細磨輪等工具中都需要細粒度金剛石，但如果能采用鍍覆金剛石微細顆粒那么這些工具的使用性能將會得到很好的改善。

就細粒度金剛石鍍覆的研究也有一些很好的成果，陸靜[17]采用準原子層堆積的方法在納米金剛石表面鍍鈦，以四氯化鈦氣體和氫氣為前驅(qū)通過循環(huán)反應(yīng)獲得鍍層。實驗表明納米金剛石表面的硅鍍層非常均勻完整，硅鍍層越厚均勻性越好對納米金剛石的保護作用越明顯。燕山大學(xué)超硬材料研究室[18]多年來致力于超硬材料鍍覆技術(shù)的研究，利用真空微蒸發(fā)技術(shù)首先實現(xiàn)細達5微米的金剛石鍍鈦生產(chǎn)。任春春[19]利用化學(xué)鍍鎳的方法制備鍍覆金剛石微粒(5～10微米)，在合適的工藝條件下可得到結(jié)構(gòu)緊密、包覆完整、分散良好的鍍鎳金剛石微粒。其表明利用傳統(tǒng)的化學(xué)鍍鎳法，在合適的工藝條件下同樣可以在表面積非常大的金剛石微粒上鍍鎳，并得到很好的鍍層。

盡管一些研究已經(jīng)可以對5～10微米金剛石顆粒鍍覆，但其產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，距真正投入生產(chǎn)還有一定距離，尤其是5微米以細金剛石顆粒的鍍覆。在今后的研究中應(yīng)加深對細粒度金剛石表面鍍覆工藝的研究，以早日在實際生產(chǎn)中得到充分的應(yīng)用。

2　結(jié)　論

(1) 對金剛石顆粒表面鍍覆金屬不僅可以提高金剛石的抗壓強度、增加與結(jié)合劑的結(jié)合力，還可以很好的提高磨具的導(dǎo)熱系數(shù)、降低熱膨脹系數(shù)、改善磨具的使用性能?？勺顬殄儗釉系慕饘俜N類很多，尤以鈦鎳合金的應(yīng)用最為廣泛，因為它的性能優(yōu)越且便于生產(chǎn)。

(2) 制備鍍覆金剛石的工藝種類很多且各有利弊，但總體來說化學(xué)鍍、電鍍的操作簡單、成本，而廣泛使用。為最大可能的發(fā)揮鍍層的作用，一般先用化學(xué)鍍法在金剛石表面鍍一層金屬然后再用電鍍法鍍覆。

(3) 目前對金剛石表面鍍覆金屬的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但對于較細粒度的金剛石(10微米以細)鍍覆工藝的研究還不足，在今后的研究中應(yīng)加深對細粒度金剛石表面鍍覆工藝的研究，以早日在實際生產(chǎn)中得到充分的應(yīng)用。

[1]王秦生，王小輝. 金剛石表面鍍層在磨具中的作用機理[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2006(155):5-9.

[2]YH Wang, JB Zang, MZ Wang, et al. Properties and applications of Ti-coated diamond Grits [J]. Journal of Materials Processing Technology. 2002(129):369-372.

[3]徐湘濤. 鍍鎳金剛石的制造及應(yīng)用研究[J]. 超硬材料工程,2005,17(61):25-30.

[4]Tani Yasuhiro, Zhang Yu, Murata Junji,et al. Development of partially Ni-coated diamond abrasives for electroplated tools [R]. Proceeding of the 6th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st century, LEM 2011, 2011-12-8.

[5]Yujun Zhang,Huachun Cai,Zhuoshen shen. Preparation of cu-coated diamond particles and Its Influence on the performances of diamond/cu composites[J]. Advanced Materials Research, 2013(602-603):66-70.

[6]Mu-Tse Lee, Mei-Hui Fu, Jyun-Lin Wu, et al. Thermal properties of diamond/Ag composites fabricated by electroless silver plating [J]. Diamond & Related Materials, 2011(20):130-133.

[7]Bin Lin, Xitao Wang, Yang Zhang, et al. Interface characterization of a Cu-Ti coated Diamond System [J]. Surface & Coating Technology, 2015(278):163-170.

[8]Q L Che, J J Zhang, X K Chen, et al. Spark plasma sintering of titanium-coated diamond and Copper-titanium powder to enhance thermal conductivity of diamond/copper composites [J]. Materials Science in Semiconductor Processing, 2015(33):67-75.

[9]Tan Lirong,Wang Yanhui,Zang Jianbing,et al. Electroplating nickel-iron alloy on the Diamond surface [J]. Key Engineering Materials, 2009(416):164-167.

[10]Wang YH, Wang HX, Wang MZ, et al. Brazing of Ti/Ni-coated diamond [J]. Key Engineering Materials,2001(202):147-150.

[11]Weida Hu, Long Wan,Xiaopan Liu,et al. Effect of TiO2/Al2O3film coated diamond abrasive particles by sol-gel technique [J]. Applied Surface Science, 2011(257):5777-5783.

[12]王艷輝. 金剛石和立方氮化硼超硬磨料表面處理技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展[J]. 金剛石與磨料磨具工程,2009(1):5-12.

[13]Jianwei Li, Hailong Zhang, Yang Zhang, et al. Microstructure and thermal conductivity of Cu/diamond composites with Ti-coated diamond particles produced by gas pressure Infiltration [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015(647):941-946.

[14]Jianhua Yao, Lijing Yang, Bo Li, et al. Beneficial effects of laser irradiation on the deposition process of diamond/Ni60 composite coating with cold spray [J]. Applied Surface Science,2015(330):300-308.

[15]朱選敏. 微米金剛石化學(xué)鍍Ni-B及Ni-Mo-B工藝研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[16]王明智,王艷輝,趙玉成,等. 超硬磨料表面鍍覆(涂覆)的種類、方法及用途[J]. 金剛石與磨料磨具工程,2004(5):68-73.

[17]陸靜. 納米金剛石和碳納米管表面納米涂層制備及制備結(jié)構(gòu)性能研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué),2010.

[18]藏建兵,王艷輝,王明智. 鍍鈦超硬材料微粉及應(yīng)用[J]. 金剛石與磨料磨具工程,2000(2):6-9.

[19]任春春,林國興,梅天慶. 金剛石微粒表面化學(xué)鍍鎳[J]. 電鍍與精飾,2012,34(10): 35-38.

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