金刚石复合镀层的制备及其性能.docx

金刚石复合镀层的制备及其性能目前，对金刚石外表功能改良大多局限于单一工艺。采用化学镀和振动电镀相结合的方法在金刚石外表制备了Ni-Co-SiC复合镀层。采用扫描电镜和抗冲击测试等方法分析了金刚石化学镀和振动电镀后的形貌、增重率、均匀度及抗冲击强度等性能。结果表明:化学镀覆可在金刚石外表获得较薄的镀Ni层，振动电镀能对镀Ni层增厚及改性，可制备具有金属界面及性能更优的金刚石颗粒;一定范围内，金刚石的增重率随电镀时间的增加呈线性增加，而复合镀层均匀度相近，表明镀层与金刚石结合严密、光滑;Ni-Co-SiC复合镀层金刚石的抗冲击强度提高明显，原料45/50目金刚石的Ti值为938%，而复合镀覆Ni-Co-500nmSiC的金刚石Ti值最高到达978%，SiC硬质相粒径为500nm时效果最佳。关键词化学镀;振动电镀;金刚石;复合镀层;形貌;性能金刚石作为一种非导体超硬磨料已被广泛应用于地质、建材、装饰工艺等领域，然而人造金刚石的润湿性较差以及单颗抗压强度下降限制了人造金刚石工具的使用寿命。基于此，20世纪70年代起，对金刚石进行外表改性来改善其外表润湿性和单颗金刚石的抗压强度逐步成为研究热门。在金刚石外表镀覆一层具有较好润湿性和硬脆性的刚玉粉，再将外表改性后的金刚石磨料包镶在树脂胎体中，既保证了金刚石工具具有较高的切削效率，又减慢了金刚石脱落速度，保证了金刚石工具的使用寿命1。在金刚石外表镀覆一层力学性能较强的金属层(Ti，Mo，Cu，Fe，Ni等)和硬质相微粉后能提高单颗金刚石的抗压强度、耐热性、耐侵蚀性等，对金刚石起到了很好的保护作用2。在金刚石外表化学镀Ni-W-P，NiFeB和Ni-W(Mo，Zr)-B等35金属薄膜，可有效改变金刚石外表的理化性能，但金属镀层厚度有限，存在着与金刚石结合力欠佳、对金刚石性能影响较小等缺乏。目前对金刚石外表功能改性大多局限于单一工艺，但化学镀镀层薄，电镀则需对金刚石作金属化处理。目前，对金刚石外表进行化学镀与电镀工艺相结合、获得均质且较厚复合镀层的报道较少。本工作通过复合镀(化学镀后通过振动电镀方法对镀层加厚)并参加硬质相微粒对金刚石进行外表金属化改性，通过对改性金刚石的组分、厚度、单颗金刚石强度等参数定量分析来讨论复合镀对金刚石性能的影响规律。11金刚石预处理试材为45/50目金刚石，其外表预处理经过为除油粗化敏化活化解胶复原。除油:用10%NaOH溶液浸泡并煮沸2030min，利用碱性皂化反响气泡带走金刚石外表的油污及有机物。粗化:将金刚石置于10%稀硝酸溶液煮沸并搅拌5min，在金刚石外表产生一定微腐蚀坑，以加强镀膜与金刚石的结合力。敏化、活化:将金刚石浸入1825盐基胶体钯活化液搅拌310min。解胶复原:利用10mL浓盐酸+90mL蒸馏水对敏化金刚石解胶复原，除去活化后金刚石外表残留的Sn2+，在金刚石外表显露出具有催化活性的钯质点。12复合镀(1)化学镀将预处理后的金刚石置于化学镀镍基础液中，镀液配方:32g/LNiSO46H2O(镍盐氧化剂)，30g/L次磷酸钠(复原剂)，30g/L柠檬酸钠(配位化合剂)，30g/L乙酸钠(镀液稳定剂)，用恒温水浴40保温。在pH=85的碱性环境下施镀2h。(2)振动电镀振动电镀是一种类似于滚筒电镀的电镀方法，其原理通常是利用偏心电机产生振动，设计具有特殊形状的台阶镀瓶，将小零件(金刚石)置于镀瓶中，通过振动力使小零件在镀瓶中翻滚并转动，装置示意见图1。导电盐选择氯化钠，pH缓冲剂为硼酸(pH值为38)，镀层外表润湿剂选择十二烷基硫酸钠008g/LC12H25SO4Na。振动增厚镀镍主盐为220g/LNiSO46H2O和45g/LNiCl。振动电镀镍钴合金主盐为220g/LNiSO46H2O，45g/LNiCl和20g/LCoSO4。振动电镀镍钴合金镀液分两组，分别将016g/L的500nm碳化硅微粉和2m碳化硅微粉轻轻倒入装有主盐的镀瓶中，利用超声波震荡直至微粉均匀分散于镀液之中。称取定量的已化学镀镍处理的金刚石放入盛有镀液的振镀瓶中将振镀瓶固定在电机上，调节振动电机振动参数(振幅、频率、半/全波)，保持电机在振动时振镀瓶始终同轴振动，镀液中金刚石能在阴极触点上跳动和旋转，电镀到一定时间后关闭电源。振动增厚镀镍层的电镀时间为2h，Ni-Co-Si复合振动电镀的时间为6，9h。分别将振镀瓶内镀好的金刚石用蒸馏水清洗，放入烘箱内于120烘20min，备检。13测试表征采用Quanta200环境扫描电镜(SEM)观察镀层外表形貌，分析其均匀性和连续性。采用JAZ103N电子分析天平称量镀覆前后金刚石颗粒质量，计算增重并推算出复合镀层厚度、增重率等参数。采用Vision1000显微镜获取镀膜金刚石的图像，然后对图像进行二值化处理，再对每颗金刚石的椭圆度、均匀度分析。采用Ti-03B人造金刚石冲击强度仪分别测定45/50目金刚石、化学镀层、复合镀覆层的抗冲击强度，即在一定频率和次数的冲击荷载下的抗破碎能力，先通过滤网筛取出一定量的待测金刚石装入钢体试验管中，再放入一定量的钢球，在偏心冲击装置上设定一定冲击频率和冲击次数，然后筛分出破碎金刚石，以未破碎金刚石与初始金刚石冲量之比来表示金刚石的抗冲击能力，即Ti值，金刚石的冲击强度与金刚石工具的性能呈线性关系表示，很多情况下金刚石工具的性能直接以金刚石的Ti值来表征。冲击功率800W，冲击频率2400次/分，冲击次数为2000次，最终以冲击次数控制仪器停止。2结果和讨论21复合镀层的形貌图2为不同镀层的SEM形貌。由图2可见:化学镀镍层较薄，镀层与金刚石结合致密，金刚石化学镀镍后棱角分明且镀层厚度不大;振动增厚镍镀层外表仍然致密光滑，节瘤及杂质较少，讲明振动镀覆工艺方法可靠可控;Ni-Co-SiC复合镀层电镀6h后相对9h后的镀层厚度略小;较细粒度(500nm)的SiC微粒在镀层中分散均匀(图2c)，且镀层光洁度和平整度较好，这可能与镀液中分散的细粒度微粒在镀层上随复合镀层共沉积时对镀层生长的长程有序性和割裂作用较小有关。为了更好地让SiC微粒在金刚石外表沉积，减小了振动镀的振幅，结果出现了金刚石铰链现象。总的来讲，复合镀覆的镀层厚度和SiC微粒沉积量随镀覆时间的增加呈现线性增加，镀层外观形貌较稳定，未见大颗粒节瘤，金刚石外表化学镀层不易起皮和粘连;选择SiC微粒尺寸为500nm时微粒在金刚石外表沉积效果好，镀层更致密光滑;振动镀工艺下振动幅度应与电流密度和微粒尺寸协调控制，以获得良好的金刚石复合镀层。22复合镀层的增重率及均匀度表1为不同复合镀层的增重及均匀度数据。由表1可知:采用振动电镀工艺获得的金刚石复合镀层的增重率及均匀度较好，镀层增重率较高，讲明振动电镀工艺电流效率较高;在一样电流效率下，镀液中分布的硬度相SiC粒度越大，镀层增重率越大;电镀9h复合镀层的增重率分别为917%和1000%;4种复合镀层的均匀度相近，讲明复合镀层与金刚石结合致密;金刚石振动增厚镀镍层的均匀度指数为03816，与单颗金刚石的最接近，均匀度最好，这与SEM形貌中振动增厚镀镍层金刚石镀层最光滑的结果一致。23镀层的抗冲击强度不同镀层的抗冲击强度见表2。由表2可知:原料45/50目金刚石的Ti值为938%，属于高品级人造金刚石;化学镀覆处理后，金刚石微粒部分破碎，又由于金刚石外表薄镍层脱落，使得下滤网筛中破碎金刚石的质量增加，因此化学镀镍金刚石的Ti值反而下降至896%;经过振动镀工艺复合镀处理后的金刚石Ti值均高于原料金刚石的938%，其中Ni-Co-500nmSiC的Ti值最高达978%，这是由于金刚石外表裹覆的硬质相加强了金刚石抵抗钢珠冲击的强度。复合镀层中选用500nmSiC的复合镀层对金刚石强度提高显著。金刚石Ni-Co-500nmSiC复合镀层在抗冲击强度测试后，金刚石外表2000倍SEM形貌中明晰可见金刚石外表的磨痕，从磨痕中的拉槽可见金刚石中SiC微粒含量较多，复合镀层厚度较大且均匀，这可能是由于复合镀层中沉积的硬质相微粒数量较多且密集均匀地分布在金刚石外表，进而复合镀层对金刚石的强度提高效果显著，直接增加了金刚石微粒的抗冲击强度。(1)化学镀和复合电镀获得的复合镀层与金刚石结合致密，复合镀层厚度与SiC微粒粒径及镀覆时间有关，呈现线性正比增加趋势;镀层外观形貌较稳定，未见大颗粒节瘤，不易起皮和粘连;选择SiC微粒尺寸为500nm时，微粒在金刚石外表沉积效果更致密、光滑。(2)金刚石化学镀工艺获得了性能较好的薄金属层，振动电镀Ni和Ni-Co基金属能对金刚石进行外表改性，获得了具有金属界面及性能更优的金刚石颗粒，进而提高金刚石工具使用寿命，金刚石复合镀层的增重率随电镀时间的增加呈线性增加。(3)对金刚石外表复合电镀处理后，金刚石的抗冲击强度提高明显，原料45/50目金刚石的Ti值为938%，而复合镀覆Ni-Co-500nmSiC的金刚石Ti值最高到达978%，SiC硬质相粒径为500nm时对金刚石强度提高效果最佳。(4)采用化学镀和振动电镀的工艺方法对金刚石处理效果明显，能够获得性能稳定和优良的金刚石复合镀层。参考文献1赵玉成，藏建兵，王明智刚玉涂覆的超硬磨料J金刚石与磨料磨具工程，1990(5):672刘雄飞，李晨辉镀膜对金刚石与结合剂之间结合性能的影响J中国有色金属学报，2001(3):4454483项东，李木森，刘科高，等金刚石外表化学镀Ni-W-P层组织与性能研究J金刚石与磨料磨具工程，2008(1):8114段隆臣，杨凯华，汤风林金刚石外表化学镀NiFeB及其在胎体中结合状态的研究J长春科技大学学报，2001(1):1001045裴宇韬，屠厚泽，励美恒镀膜金刚石的耐热性及其镀层作用机制J人工晶体学报，1994(3):195198