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金刚石表面金属化方法

发布日期:2020-12-18 17:38 作者:胆拖投注

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  维普资讯 第 l 4卷 第 4期 1 995 蜓 吉 林 地 贡 V o【 4 N o.4 .1 Dec . 19g 5 l 月 2 J l l G E O L O G Y N L 7 - F一7 金 刚 石 表 面 金 属 化 方 法 一 7 引 ( 春 现 代 超 硬 材 料研 究 所 , 10 2 ) 长 3 0 2 提 弋 关键 词 玺 刚 刚 篓 , 工 舫 作 为 超 硬 磨 料 的 金 刚石 在 制 造成 工 磨 具 后 其 本 身 与 结 合 剂 一 突 出表 现 在 树 脂 和 金 属 结 合 剂 上一 的 粘 结 好 坏 较 大 地 影 响工 具 的 使 用 效 果 和 寿 命 。 由于 工 具结 合剂 不 能 自始 至终 地 牢 固 把 持 金 刚 石 颗 粒 , 使 金 刚 石 除 破 碎 、 断 者 外 , 大 多 数 在 出露 不 到 粒 径 的 1 2 度 时 脱落 。 致 折 绝 /高 国 外学 者认 为 , 刚石 实 际 上 只发 挥 它工 作效 能 的 2 。 度 以 网 目计 的 金 刚 石 脱 落 后 绝 难 再 金 o 粒 回 收使 用 。 刚 石 的脆 性 使得 在 其强 度 、 合剂 耐 磨 性 以 及 加工 对 象 研磨 性 三 者 之 问 相 适 应 情 金 结 况 下 , 能一 直 保 持大 约 i 3 钝 的颗 粒 破 裂 后 重 新 锐 化 。 后磨 钝 的其 它 颗粒 亦 可 能 发 生 锐 化 /磨 随 而更好地工作 。 实际测试表 明 : 金刚石金 属结 合剂 掘片在正常磨损情况下 , 刚石 的磨钝 、破 金 裂 锐 化 及 磨 钝 加 破 裂 锐化 三 种 状 态 大 至 各 占 13 比例 样 , 如果 在金 刚石 颗 粒 与胎 体 ( /的 这 结 合荆 形 成 的 整 体 )连 结 牢 固 的 情 况 下 ,每 一 层 出 露 工 作 的 金 刚 石 有 可能 因结 合剂 同步 磨 耗 直 至消 耗 殆 尽 ,而 不 是 传统 的 金 刚 石 工 具 单纯 地 不 断 靠 上 一 层 脱 落 .下 一 层 出露 来 保 持 工 具 连 续 工 作 。 代 高 质量 的 金 刚 石 钻 、切 、磨 工 具 已证 实 了这 一 点由此 可 大 幅 度 提 高 工 具 吏用 寿 现 命 ,发 掘 超 硬 磨 料 的 工 作 潜 力 。 目前 对 提 高 金 刚 石 颗 粒 与 结 合剂 材料 之 间 连 结 力 如 新 型结 合 剂 、粉 料 细 化 、烧 结 工 艺 、金 刚 石 表 面糙 化 及 金属 化 等 研 究 已有 许 多 新 进 展 。 对金 刚 石表 面 进 行 金 属 化 处 理 以 提 高 金 刚 石 颗 粒 与 结 合 剂 材 料 间 结 合 强 度 尤 其 被 世 界 上 工 业 发 达 国 家 所 重 视。 早在八 十年代初 , 国内赴英国 、 西德等国的考察者 即已发现 它们使用 的表面镀覆金属膜 的 金 刚 石 已占 树 脂 结 合 剂 金 刚 石 工具 生 产 用量 的 8 以 上使 用 经 表 面 金 属 化 处 理 的 金 刚 石 平 o 均 可 以提 高 工 具 寿 命 3 ~ 4 ,并 可 在 约 2 的 范 国 内降 低 金 刚石 浓 度 。 国 、爱 尔 兰 、日 0 0 0 美 本 、前 苏 联 地 区等 国亦 都 较 重 视 使 用 经 表 面处 理 的 金 刚 石 磨 料 ,并 占相 当的 比例 湿 法 和 干 法 两 大 类 镀 覆 技 术 中 ,化学 镀 、 电镀 及 各 种 真 空 镀 都 在 实 际 的 生 产 过 程 中得 到 应 用用 化 学 镀 的方 法首 先要 对 金 刚石 进 行 敏 化 、活化 处 理 以 造成 具 有 催化 作 用 的表 面 , 通 再 过具 有 自催化 作 用 的被 镀 金 属 的 不断 沉积 和 自催化 使 镀 覆持 续 进 行 。 过 物 理 化 学 作 用 . 具 通 使 有 催化 作 用 的 离子 进 入 到 金 刚 石 原始 结构 卸 陷深 部 还原 成 沉 积 点 ,然 后 被 镀 金属 离 子 得 到 还 原 沉 积 . 金 刚 石 颗 粒 中原 始 结构 缺 陷得 到 弥 补 。 学 镀 的 方 法 可 以 在 平均 5 ~ 6 范 国 内 使 化 O O 提 高 金 刚 石 单 粒 抗 压强 度 , 在 未 剥离 大 部表 面镀 层 情 况 下 测 得 的 强 度 增 值 是 不 足为 凭 的 。 但 化 学 镀 的 另一 特 点是 可 以 在 一 定的 条件 下形 成 非 晶 态 均 匀 致密 的表 面包 裹 层 . 由此 可 以提 高 金 刚 石抗 氧 化 性 和 热 稳 定 性 ( 受热 情 况 下 表 面 晶 格 不 发 生转 变 ) 1 以上 ,这 显 然有 利 于 烧结 o 温 度在 80 以上 的金 属结 合 剂 工 磨 具 制 造 用 的 化 学 镀 层 材 料 为 N 、 。 得 指 出 的 是 , 0℃ 常 Cu 值 使 用表 面镀 镍 的 金 刚 石 在 制 造 金属 结 合剂 工 具过 程 中温 度 和 压 力 条件 处 于 金 刚石 热 力学 非 稳 定 区 , 为触 媒 金属 的镍 有 可 能 促 使 金 刚 石 晶格 在 此 条 件 下发 生逆 转变 。 作 借助 显 微镜 在 生 产实 践 维普资讯 7 6? 吉 林 地 质 中 已经 观 察 到 用含 有 大 量 Ni Cc元 素 的 金 属 结 合剂 制 造 工 具 . 9)~ 10 0C烧 结温 度 下 金 、 > 在 (] 0 { 刚 石表 面 已严 重 石 墨 化 内的 研 究 者 在 考虑 利 用 致 密 包 裹 层 提 高 金 刚 石 抗 氧 化性 及 热 稳 定 国 性 时 倾 向 于 采用 化学 镀 铜 或 铜 复 镍 。 刚 石 表 面 电 镀 实 际上 为 化 学 镀 的 延 冲 。 过 比学 镀 覆 导 金 经 电 层的 金 刚 石颗 粒 表 面 在 滚 镀 铜 或 搅 拌 筒 中通 过 底 板 或 插 入 导电板 与 电源 阴极 接 通 .镀 液 中 被 镀 金 属 离 子 在 电场 力 作 用 下 撞 击 金 刚 石 表 面 后 吸 附 还原 结 晶 。 电镀 主 要 用 于 化 学 镀 层 的 加 厚 或续 镀 其 它金 属 层 以 降 低 化 学 镀 成 本 。 电镀 液性 能 稳定 并 方 便 调 整 , 防 止化 学 镀 厚 镀 层 发 能 生 开裂 及录 落 的现 象 。 独 的 电镀 方 法 不 能 在 非 导 体 的 金 刚 石 表 面形 成 金 属 膜 。 刚 石在 镀 膜 单 金 时 要始 终 滚 动或 搅 拌 。 常 规 的湿 法 镀 中 ,一 些还 原 电位 很 负 的 金 属 离 子 由于镀 墒 中 H离 子 或 H 分 子 的 存 在 O 实际 上 不 可能 实现 还 原 过 程 , 中化 学 镀 还 受 到 还原 析 出 的金 属 自催 化 活性 的影 响 。 刚 石 表 其 金 面化 学镀 和 电镀 技 术 主 要 用 于 树 脂 结 合剂 制 品 以提 高 胎 体 对 金 刚 石颗 粒 的 固 结 。 间接 增 大 在 了 金 刚 石 的 被 包 裹 面 积 以 及 由 金属 层 形成 的 工 作 金 刚 石 向结 合 剂 传 热 的 热 屏 障 双 重 作 用 下 , 金 刚 石不 易脱 落 , 由此 使 树脂 结 合剂 金 剐 石 制 品 工 作 寿 命 提 高 5 ~ 1 0 由于 金 属 结 合剂 o 0 金 刚 石制 品的 发 展 , 目前 正 致 力 研 究 使 用 湿 法 镀 在 金 刚 石表 面 进行 某 些 难 以 镀 覆 而 对提 高 金 属 结 合剂 与 金 刚 石连 结 力大 有 好 处 的 金 属 如 Ti r 、C 、Mo、 及 其 台 金的 沉积 。 W 陡用 结 合剂 与 金 属 离 子 形 成 相 应 的 络 合 物 可 使 其 平 衡 电位 的 代 数值 下 降 到 接 近 于 难 以 还 原 金 属 的 平 衡 电 位 .由此 造 成 合 金共 沉 积 条 件 。 如 以 柠 檬 酸 钠 为 Ni 离 子 络 合剂 进 行 的 Ni 例 。 —w —P化 学 镀 , 可 得 到 最 高 2 左 右 w 含 量 的 合 金 。 o 已经 利 用 这 种 方 法 在 金 刚 石 表 面 获 得 难 镀 金 属 含 量 6 6 , 的 合金镀 层 , 却 使 金 刚 石 金属 结 合剂 工 具 的 使 用 寿 命提 高 1 左 右 用 复 台 镀 的 方 法 , 但 8 采 使 用疏 水 的 表面 处 理 剂 使 Ti cr W 、 、 、 Mo等 金属 微细 粉末 在 金 刚 石 表面 附著 预处 理 后 进行 镀 覆 可 以 获褥 难镀 金 属 含 量 大 于 2 的 复 合镀 层 。 金 属 微 粉 外 , 苏 联在 八 十 年代 末 期 甚 至还 向 0 除 前 镀 层 中加 入 金 属碳 他 物 、氯 化 物 ( 六 方 氮 化硼 ) 如 、抗 摩 材 料 ( 石 墨 、二硫 化 钼 )以改 善 镀 如 层 的 物理 一 机 械性 能 以 与胎 体 相 适 应 。 种 添 加 剂 的 加 入 同时 改 善 了镀 层 的 内应 力 , 各 减轻 了镀 层 开裂 和 剥 落 。 合 镀 层 在 工 具 制 造 或 专 门的 热 处理 过 程 的 高 温 条 件 下 , 复 在金 刚 石表 面 与胎 体 间 产 生扩 散 及 合 金化 ,大 大 增 强 了 金 刚 石 与 胎体 间连 结 力 。 干 法 真 空镀 可 以 较 容 易地 在 金 刚 百 表 面 形成 高熔 点金 属 如 Ti 、Mo 、W 等 及 其 合金镀 膜 。 但 真 空镀 设 备 昂 贵 、成 本 高 .除 少 数 专 业 厂 家 外 ,金 刚 石 用 户 难 以 自行 开 发 。 空 蒸发 镀 是 在 真 带水冷装置的不锈钢 真空 室内 , 利用 电阻或 电子束等将被镀金属或合金加热到蒸发温度蹦上 , 使平 均 动 能O 2V 的 金 属原 子 或 分 子 蒸 发 逸 出 。 们 在 同样 装 在 真 空 室 特 制 容 器 中不 断运 动 .e 它 的金 刚 石表 面 附着 扩 散 而形 成 镀 膜 合金 镀膜 时 . 在 为了 防止 台金 成 分 的 分 馏 可 以采 用 各 成 分 分 立 同时 蒸 发 或 快 速 蒸 发 的方 法 。 由于 蒸 发 原 子 或 分 子 的能 量 不 大 ,膜 层 与金 刚 石 的 粘 结 力 差 ,混料 时容易脱落 。 目前 国 内较广泛使用的是真空溅 射镀 。 用溅射源取代 蒸发镀膜机的蒸发 源 即成 为溅 射 镀 膜 机 , 用 辉 光 放 电或 离 子 源 产 生 的 中性 荷 能 粒 子轰 击待 镀 金 属 的 薄 膜 靶 材 , 利 使 靶 材 表 面 原 子 获 得 大 于 本 身 电离 能 的 撞 击 能 量 而 被 打 出 向 运 动 的 金 刚 石 颗 粒 表 面 溅 射 堆 集 成膜 。 比蒸 发原 子 或 分 子 的 平 均 能 量 大 数 十 倍 的 溅射 粒 子 增 加 丁膜 层 的 成 榱 密 度 . 高 了表 面 提 原 子 迁 移率 及体 扩 散 .使 镀 膜性 能 及 附 着 力增 强 空镀 Ti 、Mo 真 、W 、Cr 金 属 膜 金 刚 石 在 等 岩 芯 勘 探 钻 头 、石 材 切 割 锯 片 、金 刚石 烧 结 体 、砂 轮 修整 工 具 中得 到 很 好 应 用 .金 刚 石 镀 膜 后 工 具 工 作 层 整 体 抗 蚪击 韧性 . 弯 强 度 及 耐 磨性 得 到 良好 改 善 苏 联 全 苏 勘 探 所 等 单 位 制 】 抗 前 造 的  ̄5mm 镀 Ti Ni 9 — 金副 石 表 镶 、孕 镶 钻 头 在 可 钻性 x级 硅 化 闪 长 岩 中钻 进 .寿命 分 别 提 维普资讯 第 4期 郭 铣 峰 :金 刚 石 表 面 壹 属 化 方 法 ?7 ? 7 高 2 和 1 , 镀 有 2 , 的钼 层 的 金 刚 石 制 成 砂 轮 修 整 滚 轮 进 行 对 比实 验 . 轮 耐 用 度 提 0 ] 用 0m  ̄ 滚 高 1 5 2 。 空镀 膜 金 刚 石 在 出 L圆锯 片 上 的 使 用 也 获 得 显 著 效 果 。 要 注 意 的 是 :镀 层 材 .~ 倍 真 I 需 料 必 须 根 据 结 合剂 成 分 进 行 选 择或 根据 镀 层 材 料 选 择 结 合剂 确 保 镀 层 与 眙 体 的 有 力结 合 。 较 广 泛 使 用 的 Tj 层 并 非 与所 有类 型结 合剂 有亲 合性 . c 镀 在 0基 、 e基 结 合剂 的 实验 中 cr F 镀 层 效 果最 佳 择 镀 层 材料 还 要 考虑 镀 层 及 其 金 属 碳化 物 的 热 力学 特 性 , 免镀 层 与 金 刚 石结 选 避 合面 在 制 品烧 结 和 焊接 过 程 中产 生 过 大 的应 力甚 至裂 纹 。 静 止 的 被 加 工 材 料 上 破 碎 下 来 尚 从 来 不 及 加速 的 微细 切屑 在相 对 金 刚 石 1 ~ 5 m/ 线 速 度 ( 干切 到 湿 切 ) 后运 动 中 往往 8 5 s的 从 向 贴 紧 金 刚 石 前 部 和 两侧 将胎 体 冲蚀 出 深 淘 ,加快 金 剐 石 脱 落 。 视 情 况 使用 如 “ — wc Ni 应 Tj — ” 耐 磨 性 强 的 复 式 镀 层 ;耐磨 性 差 的 镀 层 厚 度 应控 制 在 0 2 1 之 间如果 金 属 镀 层 氧 化 则 .~ 0 m 会 加 剧 制 品在 使 用 过 程 中金 刚 石 的脱 落 。 使 用如 “ — Ni 式 镀 层 延 缓 活性 金 属 膜 在 金 刚 可 Ti ”复 石 包 装 、运 递 、混 料 、贮 藏 过 程 中的 氧 化 。 强 有 力的 真 空 镀 方 法是 真 空 离 子镀 。 溅 射 镀 膜 最 在 机 上增 设 离 化 蒸 发 金 属 粒 子 装 置 使 成 膜 前 干 分 之 几 至 百分 之几 的 粒 子 被 电 离 成 正 离 子 .能 量 达 数百 电 子 伏特 。 子 轰 击 使金 刚石 表 面 进 一 步 净 化 ,并 可 产 生 晶 向溅 射 , 子 注 入 ,化 合物 离 离 及 活性 反 应 等 物 理 化学 过 程 。 内 已研 究 运 用 这 项 新 工 艺 开 发 的 金 刚 石 单 晶 新 品 种 使 膜 层 耐 国 8 0 9 0 高温 ,提 高 金 刚 石 使 用 效 果 2 ~ 5 5~ 0℃ 0 O 干 法镀 的其 它方 法 如化 学 气 相 镀 ,是 利 用 含 有 薄 膜 元 素 的 一种 或几 种气 相 化 合物 与单 质 气 体 在 金剐 石 表 面 进 行 化 学 反 应 生 成 金 属 薄 膜 。 Ti 用 、Mo 、w 的 气化 氯 化 物 Ti CI 、Mo CI、 WCI 8 0 10 ℃与 H 应 生成 相 应 金 属 薄 。 物 理 气 相镀 比较 .化 学 气 相 镀 设 备 简 单 而 0 ~ 20 在 反 与 反 应 温 度 高 , 目前 的 等 离 子 体 化 学 气 相 镀 已能 在 较 低 温 度 下 进 行 某 些 金 属 镀 覆类似 于 离子 但 镀 的 离 子 注 入 是 将 所 有 的 荷能 粒 子 离子 化 ,利用 高 能轰 击 使 金 刚 石 表 面 晶格 产 生 位 移 后 使 高 速 离 子 注 入 到 金 刚 石 表 面 形 成 金 刚 石与 注 入 离子 活性 混 台 层 ,使 后 续镀 层 与 金 刚 石 表 面形 成 化学 键 力 结 合 。 简 便 而 低 成 本 的 表 面 处 理 技 术 可 以 在 我 国各 规 模 小而 分 布 广 的制 品 企业 中进 行 ,利用 中 频 或 电 阻 加热 设 备 配 备 可 抽 成 真 空 的 容 器 加 热 金 刚 石 与被 镀 金 属 粉 末 混 合料 ,可 以在 低 于 金 属 粉 末 蒸 气 压 的真 空 条 件 下 蒸 发 沉 积 出 金 属 膜 。 由于 热 力作 用 , 金刚 石 与 金 属 膜 问 同 时形 成 化 合物 强连 结过 渡 层 。 个 镀 层 的厚 度 依 加 热 温 度 与保 温 时 间来 控制 。 种 方 法 处 理 的金 刚石 在 整 这 金属 结 合 剂 的 制 品 中 已 使 间接 测 定 的 金 刚 石 粘 结 效 果 提 高 4 ~ 7 。 与 金 刚 石 具 有 良好 0 0 将 亲 和 性 的 金 属 超 微 粉 在 真 空 容 器 中 混 合或 用 有 机 溶 剂 金 属 粉 悬 浮 液 处 理 金 刚 石 ,利 用微 粉 吸 附特 性 在 金 刚 石 表 面 附着 后进 行 混 料 。 项 工 艺 已 使制 造 的 岩 心勘 探 金 刚 石 钻 头 使 用 寿 命 提 这 高 2 左 右 ,但缺 点是 效 果 不 稳 定 . 一 步 可 靠 的 方 法 尚在 研 究 金 刚 石 具 有 良好 浸 润 性 和 0 进 与 亲 和性 的 金 属 熔 点 较 高 ,单 纯 或 混 合 粉末 处理 方 法 只 能 在烧 结 过 程 中 与 金 刚 石 形 成 机 械 包 镶 与 多 点 合 金化 连 结 。 了 产 生均 匀 扩 散 必 须 降 低 熔 点 以产 生 液 相 渗 透 。 没 有 专 门 的 低熔 点 合 为 在 金 产 品情 况 下 , 根 据 胎 体 情 况 用金 属 粉 末 机 械 台金化 方 法 制 备 A 一 ( M。 Ni Ti c . 可 g : . . — u Ti Al合金 粉 。 验 表 明 : TjAI — 实 以 、 等原 子 比的 2 0 0 目粉 末用 2 : 的球 料 比装 入 充 有 惰性 气体 O1 的 密 封 混 料罐 球 磨 4 h即 已形 成 粒 径 1 的 Ti 0 0m —AI 晶化 合金 粉 。 用 一 种 保 密 的 工 艺在 非 采 混 料 过 程 中进 行 粉 科 选 择性 分 布 ,把 低熔 点 的 浸 润 金 刚 石 合金 粉 分 布 金 刚 石 周 围 .使 之 在烧 结 温 度 下 产 生 液 相 熔 浸 进 而 牢 固地 焊 接 金刚 石 。 种工 艺在 岩 心 钻 头 制 造 上 的 应 用 不 仅 提 高 这 钻 头 寿 命 , 且 使金 刚 石 在工 作 层 中得 到均 布 。 而 该工 艺 还在 金 刚 石 往 复式 框 架 锯 上 应 用 . 通 过 合 理 的 料 层 分 布 强 力粘结 金 刚 石并 在 周 围形 成 乳 头状 凸起 , 大 提 高 了框 架 锯 舶 使用 效 果 。 大 维普资讯 7 ? 8 吉 林 地 质 另一 种 尚在 研 究 中的 技 术 是 通 过特 殊 的物 理 化 学 方 法 使熔 浸 台 金 粉 能 够 均 匀 覆 盖 金 刚 石 一然 后 与 胎 体 粉 料 混 合烧 结 , 艺 更 为简 便 。 烧 结 获 得 的 试 样 击碎 或 强 力打 磨 结 合 剂 暴 露 出金 刚 工 将 石 后 用 显 徽 镜 观 察 . 果 与 普 通 试 块 不 同的 是 金 刚 石 表 面 普 遍 有 胎 体 附 著 , 明 经 过 处 理 , 结 证 金 剐 石 已与 胎 体 良好 焊 合 。 参 考 文 献 1 周 振君 等 .金 刚石锯 片 的磨损 机理 研究 .磨 料磨具 与 磨削 ,19 ;( ) 9 4 2 2 Pe rs e n F. we g t n RF. El c r c n, Te h 1 a lt i i h ma e t o he c no ., 1 6 9 8; ( 6) 3 万 新 粱. 刚石 表面 化学 镀 W 的研 究. 京 , 4 金 北 9 国际金 刚 石制 品与 石材 加工技 术交流 会论 文集 t 9 4 1 9 A M ETHOD F OR ME TAL I L ZATI ON ON THE DI AMOND RF SU ACE ( h n c u n t ueo o enz d S p r a d M aeil' 1 0 2 ) C a g h nI s t t f M d r ie u eh r t as 3 0 2 i r Abs r t t ac A e h d f r m e a l a i n o h i m o d s r a e t as e v c ie o h i m o d m t o o t li to n t e d a z n u f c o r i e s r ie l f t e d a f n t o s i i t o u e n t i p r o l s n r d c d i h s pa e 、 Ke o ds D im o d M e a l a i n yw r a n t li to z


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