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金刚石磨料颗粒为什么需要在表面镀覆金属?
2018年12月04日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:70
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金刚石是公认的“超硬之王”,极高的硬度使得它在磨具磨料行业中被广泛使用。但是金刚石颗粒和大多数金属、合金、陶瓷甚至树脂结合剂之间的高界面能,决定了磨具中的金刚石颗粒只是被机械地包覆在结合剂基体中。

 

 

 

但是金刚石颗粒若不能与基体“死死地”黏在一块的话,当磨具受到磨削力作用、磨粒还没被磨露到最大截面时,金刚石颗粒就因失去基体的包裹而自行脱落,降低了金刚石工具的使用寿命和效率。

 

因此为了提高磨具的使用寿命,人们开始应用金属包覆金刚石颗粒。镀覆金属后,金刚石粉体与结合剂基体之间的表面能差异得以降低,两者间的结合力得到加强并减少了金刚石的脱落,从而提高金刚石粉体材料的利用率。而且它还能对金刚石表面起到宏观隔离保护作用,及对金刚石结构起到微观侧面支撑作用,有利于防止金刚石在使用过程中被氧化和石墨化。

 

镀层的分类:

1965年尼柯都尔(Nicodur)发现金属镀层处理可以提高砂轮寿命50%后,这一做法就得到了广泛普及。1966年以后,最先出现的镀层是铜和镍,后来钛、钼、钨、铌、钽等金属镀层也逐渐发展了起来,甚至还有陶瓷难熔化合物等非金属材料镀层,但普遍来讲,镀镍金刚石较为常见。

 

除此之外,镀层也由单层发展到多层,例如铜-镍、钛-镍以及金属-非金属复合镀层,常用的方法则有化学镀加电镀、真空蒸镀、等离子溅射等。如今表面镀覆不仅应用于磨粒,还应用于微粉和聚晶原料加工。

 

金刚石粒度对镀层的影响

显然,简单地考虑在金刚石颗粒上直接涂覆上一层或是多层金属并不能万事大吉,保磨具长命百岁。在金属涂覆的过程中,一个必须要考虑到的关键点就是金刚石粒度对镀层的影响。根据方莉俐等的研究,金刚石粒度对镀层的影响可分为以下几个方面。

 

1.金刚石粒度对镀镍金刚石增重的影响

随着金刚石粒度的增大,金刚石的增重率(即镀速)增大。这是因为在电镀过程中,镀槽内理想的磨粒总面积是该批料所有磨粒的表面积总和,而表面积又与颗粒形状、粒度密切相关。磨粒在滚镀槽中受镀,电流大部分消耗在最上一层的磨粒上。对于相同质量的金刚石,粒度越小,总表面积越大,随着镀瓶滚动,与阴极铜丝的接触面越大,电流效率越高,镍离子在金刚石表面被还原的速率就越快,因而镀速增大。

 

金刚石粒度与镀速的关系

 

2.镀镍前后金刚石的形貌变化

下图所示为不同粒度金刚石镀镍前后的形貌。可以看出,未镀金刚石表面平整光滑,棱角清楚;金刚石粒度越大,形状越不规则,表面越不光滑。电镀镍后的金刚石宏观上呈乌黑色,镍镀层致密、均匀,基本没有漏镀现象;金刚石粒度越小,镀层对金刚石的包覆效果越好。

 

不同粒度金刚石镀镍前后的SEM 照片

 

3.金刚石粒度对镀镍金刚石平均粒径的影响

镀镍金刚石平均粒径与金刚石粒度的关系如下图所示。与未镀镍金刚石相比,镀镍金刚石平均粒径的增大幅度在0.3%~7.5%之间。随着金刚石粒度的减小,镀镍金刚石的平均粒径增长率增大,镀层厚度增大。

 

 

 

4.金刚石粒度对镀镍金刚石平均抗压强度的影响

镀镍金刚石平均抗压强度与金刚石粒度的关系如下图所示,可知镀镍金刚石的平均抗压强度明显高于未镀镍金刚石。

 

 

 

因为金刚石破碎时,压砧与金刚石接触表面的缺陷或微裂纹处是微裂纹扩展的起始位置,也是高应力集中区。在外力尚未达到金刚石的破碎强度时,裂纹尖端的局部应力就足以使裂纹扩展,导致金刚石过早破碎。

人造金刚石表面有裂纹和缺陷,电镀过程中镍金属可以填隙、补平或包覆金刚石表面,减少或消除表面缺陷,削弱了受力时的应力集中,从而提高了金刚石的抗压强度。另外也可看出,随着粒度的减小,镀镍金刚石的平均抗压强度增长率减小。

 

细粒度金刚石颗粒镀覆现状

虽然按照以上分析,细粒度金刚石颗粒优势更大。但在我国,虽然目前对较粗颗粒金刚石镀覆的研究已经比较成熟,但是对于微米级金刚石镀覆,尤其是10微米以细金刚石颗粒镀覆的技术还仍有欠缺,存在镀层不均匀、镀后颗粒容易团聚等问题。

 

不过目前的研究也有一些很好的成果,如陆静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;任春春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。这证明即使利用传统的化学镀镍法,在合适的工艺条件下也一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。

 

 

资料来源:

金刚石粒度对金刚石镀镍的影响,方莉俐,薛丽沙。

金刚石微粉表面镀覆研究进展,代晓南,何伟春。

 

粉体圈小榆整理


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