图1 镀覆金属后金刚石X射线衍射图谱
1 引言
2 试验方法
- 将45#人造金刚石与金属Ti粉棍合，并用NaCl和BaCl的混合盐以及少量硼砂和硅铁粉混合后覆盖其上，用陶瓷坩埚加盖后在箱式电阻炉中以1000℃温度保温1小时，再用热水去掉混合盐，即可得到镀Ti的金刚石。
- 用酒精和丙酮去除金刚石表面的油污，用混合酸(浓硝酸+浓硫酸)对金刚石表面进行粗化，再进行敏化、活化及还原处理后，分别放入Ni 镀液和Cu镀液中，经过一定时间后即可在金刚石表面镀覆一层Ni和Cu。
- 采用Y-4QX射线衍射仪对盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu的金刚石进行X射线衍射分析。
- 采用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石的表面形貌以及颗粒断裂后的镀层结构。
- 分别测试未镀筱金刚石和已镀覆金属金刚石的表面抗压强度(40粒为一组)。将金刚石放入无保护气氛、温度800℃ 的炉中一定时间，采用精确到0.1mg的电子分析天平称量金刚石的重量，通过测试金刚石的烧损量确定其抗高温热蚀能力。
3 试验结果与分析
- X射线衍射分析
- 用Y-4Q型X射线衍射仪测得的镀覆金属后金刚石X射线衍射图谱如图1 所示。由图可见，盐浴镀Ti的金刚石出现了TiC的衍射峰，表明Ti与金刚石通过TiC形成了化学冶金结合。化学镀Ni和Cu的金刚石上都有Ni和Cu的衍射峰出现；镀Ni金刚石的表面镀层大多为非晶Ni，由于Ni层较厚，所以金刚石的衍射峰很弱。
- 镀层表面形貌分析
- 图2为用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察到的镀Ti、镀Ni和镀Cu金刚石的表面形貌。由图可见，盐浴镀Ti和化学镀Ni的金刚石表面镀层致密均匀，而化学镀Cu的金刚石表面镀层较为疏松，且存在未镀极部位，这是由于Cu镀层较薄且易氧化，引起镀层剥落，导致镀层表面结构疏松。
(a)盐浴镀Ti
(b)化学镀Ni
(c)化学镀Cu图2 镀覆金属后的金刚石表面形貌 - 图2为用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察到的镀Ti、镀Ni和镀Cu金刚石的表面形貌。由图可见，盐浴镀Ti和化学镀Ni的金刚石表面镀层致密均匀，而化学镀Cu的金刚石表面镀层较为疏松，且存在未镀极部位，这是由于Cu镀层较薄且易氧化，引起镀层剥落，导致镀层表面结构疏松。
- 镀层界面结构分析
- 图3所示为盐浴镀Ti、化学镀Ni金刚石颗粒断裂后表面镀层结构的SEM图像。由图可见，Ti镀层与金刚石的界面不明显，界面处结构致密；而Ni镀层与金刚石之间界面十分明显，而且因观察前金刚石颗粒被断裂破坏，因此镀层与金刚石之间存在剥离现象。
- 由于盐浴镀Ti是通过金刚石与Ti发生反应形成Tic，再在其外层形成Ti镀层，镀层与金刚石之间的结合为冶金结合，因此镀层致密，且与基体的结合强度很高。而化学镀的原理是在金刚石表面形成均匀的还原中心Pd，并在镀覆过程中以Pd为核心形成镀层，因此在化学镀过程中镀层与金刚石之间并未形成冶金结合。
(a)盐浴镀Ti
(b)化学镀Ni图3 镀层与金刚石的界面结构 - 盐浴镀和化学镀对金刚石性能的影响
- 对抗压强度的影响
- 右表为盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石颗粒的抗压强度对比情况。
表 单颗粒金刚石抗压强度对比情况
金刚石状态 镀前 盐浴Ti 化学镀Ni 化学镀Cu 抗压强度(kgf) 6 5.5 8.4 8.3 - 由表可知，经盐浴镀Ti后金刚石的抗压强度比镀前略有降低；而经化学镀Ni和Cu后金刚石的抗压强度则比铰前有较大提高，其中镀Ni和镀Cu的金刚石抗压强度分别提高了40%和55%。盐浴镀Ti后金刚石的强度降低可能是因为试验时金刚石在高温(1000℃)中处理时间过长，对金刚石造成了一定损伤引起的。有关文献中曾有采用盐浴镀Ti(或W)后金刚石抗压强度提高的报道，但强度提高幅度很小。由于盐浴镀时熔盐温度很高，不可避免会对金刚石造成损伤，因此采用盐浴镀难以大幅度提高金刚石的抗压强度。用于化学镀Ni和Cu的低品级金刚石表面分布着许多缺陷和表层裂纹，在化学镀过程中，由于具有缺陷和裂纹的表面存在比平滑表面更多的还原中心，因此在缺陷和裂纹处可获得更厚的金属镀层，这在一定程度上对金刚石表面的缺陷起到了弥和作用，从而使其抗压强度得到较大提高。
- 对抗高温热蚀能力的影响
- 图4为未镀金属与分别镀覆Ti、Ni、Cu的金刚石的抗高温热蚀能力对比情况。由图4可见，镀覆金属后的金刚石在高温(800℃)下的抗热蚀能力比未镀金属的金刚石有较大幅度的提高，这主要是由于镀筱的表面金属层在高温下可对金刚石起到保护作用。对三种镀极不同金属的金刚石进行比较，可以发现：盐浴镀Ti的金刚石抗热蚀能力最好，化学镀Ni 金刚石的抗热蚀能力次之，化学镀Cu金刚石的抗热蚀能力最差。这是由于盐浴镀Ti金刚石的镀层与金刚石之间能形成冶金结合，可实现对金刚石基体的有效保护；而化学镀Cu金刚石的表面镀层比较疏松，在高温下氧化严重，而且在某些部位有未镀金刚石露出，因此其抗热蚀能力较差。因此，镀Ti及镀Ni的金刚石可获得较好的抗高温热蚀能力。
- 右表为盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石颗粒的抗压强度对比情况。
图4- 用于制造金刚石工具的金刚石表面镀覆金属可选用Ti、W、Cr、Mo等碳化物形成元素，由于这些金属可与金刚石形成碳化物过渡层，与金刚石基体的结合强度较高，且具有良好的抗热蚀能力，因此十分适合制造陶瓷基和金属基金刚石工具。但是，为了形成碳化物层，需要较高温度，因此镀覆这些金属元素时不宜采用化学镀或电镀工艺，采用真空镀或盐浴渗镀工艺较为适宜。对于Ni、Cu等非碳化物形成元素，则可采用简单的化学镀工艺，但存在镀层与金刚石基体结合强度不高的缺陷。其中，镀Ni可以明显提高金刚石的抗高温热蚀能力。
- 图3所示为盐浴镀Ti、化学镀Ni金刚石颗粒断裂后表面镀层结构的SEM图像。由图可见，Ti镀层与金刚石的界面不明显，界面处结构致密；而Ni镀层与金刚石之间界面十分明显，而且因观察前金刚石颗粒被断裂破坏，因此镀层与金刚石之间存在剥离现象。
4 结论
- 盐浴镀Ti的镀层与金刚石之间可形成良好的结合界面；而化学镀的镀层与金刚石之间结合强度不高。
- 经化学镀覆金属的金刚石抗压强度有很大提高；但盐浴镀Ti金刚石的抗压强度无明显改善。
- 盐浴镀Ti和化学镀Ni金刚石的抗高温热蚀能力优于化学镀Cu金刚石。
