金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备

摘要

本发明公开了一种金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备，该方法包括以下步骤：首先在加热室(6)对清洁的金刚石、立方氮化硼颗粒预加热，加热温度下限应高于用于镀膜的羰基金属络合物沸点温度，加热温度上限视所需镀膜厚度，以不降低金刚石、立方氮化硼的强度为限；然后将加热的颗粒输送至到带有振动或搅拌器(11)的镀膜室(7)中，通入羰基金属络合物蒸汽镀膜；最后将完成镀膜的金刚石、立方氮化硼颗粒输送至冷却钝化室(8)中冷却、钝化或送入下一轮加热镀膜。所述方法均匀连续地对金刚石、立方氮化硼颗粒实施钨、铬、钼的单层、多层或复合镀膜，使磨料与金属胎体的结合加强，延长了金刚石、立方氮化硼制品的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备，具体涉及一种利用钨、铬、钼的羰基金属络合物在金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀金属钨、铬、钼的方法及设备，尤其涉及一种利用经过加热的金刚石、立方氮化硼颗粒所带热量使钨、铬、钼的羰基金属络合物在金刚石、立方氮化硼颗粒表面分解镀膜的方法及设备。

背景技术

金刚石是目前所发现的自然界中硬度最高的物质，属于极性材料，被广泛地应用于地质钻探、珠宝、石材、陶瓷、硬质合金、半导体晶体、磁性材料等脆硬材料的切割、磨削、打孔及钻石加工。由于金刚石都是细小颗粒，需要使用胎体材料将其制成一定形状且具有一定机械力学性能的制品后才能得以使用。在金刚石制品中，作为最基本组分的金刚石是切削元件，胎体是不可缺少的组成部分，发挥着“包镶”切削元件及与切削元件“匹配”磨损等功能，其对金刚石能否充分、有效地发挥作用起决定性的作用，制品质量在很大程度上取决于胎体的性能，而胎体的性能主要取决于胎体材料，胎体材料主要有金属、陶瓷、树脂等，因金属材料具有良好机械性能而得到最广泛的应用。

金属胎体金刚石制品是采用粉末冶金的方法，将金刚石颗粒与金属粉末混合后压制烧结而得。由于金刚石存在：①热稳定性较差，900℃以上时强度会明显下降，要求金属胎体的烧结温度低于900℃；②与金属之间存在很高的界面能，金属对金刚石润湿性差，二者之间很难形成化学冶金结合，导致金刚石与金属界面很难获得高的结合强度；③与金属胎体的耐磨性很难匹配，给金属胎体的设计、选择带来极大困难。研究人员通过对金刚石及金属胎体的结合机理涉及金属胎体与金刚石界面结合状态以及烧结过程中界面元素的扩散情况的研究，揭示金刚石与金属胎体之间的结合力性质。

金属胎体材料对金刚石结合力主要有机械镶嵌力、物理吸附力和化学结合力。其中，物理吸附力很小，可忽略不计；机械镶嵌力的大小取决于胎体的烧结合金化程度、孔隙率及胎体的强度和硬度等；化学结合力最强，但前提是金属胎体与金刚石界面成化学冶金结合状态。金刚石与金属之间有很高的界面能，一般金属胎体与金刚石之间较难形成化学冶金结合，而是以机械镶嵌作用为主，其结果是胎体对金刚石没有足够的把持力，使用过程中金刚石颗粒磨损到一半以上时较易脱落，造成金刚石提前失效，不但缩短了金刚石工具的使用寿命，而且影响加工效率。

提高胎体对金刚石把持力的关键在于改善胎体和金刚石结合状态，通过添加碳化物形成元素和金刚石表面金属化的途径，使胎体和金刚石之间形成键合。易与碳发生反应生成碳化物的元素有W、Cr、Mo等。已见报道的添加元素方法是在胎体中添加W、Cr、Mo等元素，烧结时这些元素向金刚石表面富集且与金刚石反应，生成碳化物，从而提高金刚石与胎体的界面结合强度。但这种方法有三个缺陷：一是需要较高的反应温度，增大了金刚石热损失，虽然金刚石与胎体结合强度提高，金刚石本身的强度明显下降，严重影响了该项技术的有效性；二是这些元素与金刚石反应并不能在金刚石与胎体界面生成连续完整的过渡层，导致结合强度的提高十分有限；三是微量添加的元素很难在胎体中分散均匀，影响了使用效果。

王秦生等在《金刚石表面镀层在磨具中的作用机理(金刚石与磨料磨具工程06年第5期)》文章指出，①镀层可以提高磨料的颗粒强度；②镀层可以提高磨料与结合剂之间的结合强度；③镀层对磨料有宏观隔离保护作用和微观结构保护作用；④镀层可以赋予磨料各种有益的物理性能。该文所列出的表面镀膜技术包括湿法(电镀、无电解镀-化学镀、化学生存处理、热浸镀)，干法【CVD(热CVD、等离子CVD、光有机金属CVD)，PVD(蒸发镀、测射镀、离子镀)】，均不涉及本发明的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备，利用W、Cr、Mo的羰基金属络合物在金刚石、立方氮化硼颗粒表面热分解形成金属镀膜，替代目前采用的在胎体中添加W、Cr、Mo等元素的做法，使金刚石、立方氮化硼颗粒表面金属化，经表面金属化处理后的金刚石、立方氮化硼颗粒制备制品时，在胎体材料所需的烧结温度下，所镀W、Cr、Mo等金属元素与金刚石、立方氮化硼颗粒表面反应生成均匀、连续的碳(氮)化物过渡层，达到改善胎体和金刚石立方氮化硼颗粒结合状态，使胎体和金刚石、立方氮化硼颗粒之间形成键合的同时，不出现金刚石、立方氮化硼颗粒强度下降的问题，从而大大地提高金刚石、立方氮化硼制品的使用寿命、效率。

本发明的目的通过以下技术方案来达到：对金刚石、立方氮化硼颗粒预加热，利用加热的金刚石、立方氮化硼颗粒自身所带热量，使W(CO)₆、Cr(CO)₆、Mo(CO)₆蒸汽在金刚石、立方氮化硼颗粒表面分解，使金刚石、立方氮化硼颗粒表面均匀连续地镀上W、Cr、Mo金属膜。

所述方法包括以下步骤：

a.将清洁无污染的金刚石、立方氮化硼颗粒置于加热室中，在真空或保护气氛下对金刚石、立方氮化硼颗粒预加热；

b.将加热的金刚石、立方氮化硼颗粒输送到带有振动或搅拌器的镀膜室内，打开作为镀膜材料的羰基金属络合物蒸汽进汽开关，向镀膜室输入羰基金属络合物蒸汽，开动振动或搅拌器，利用加热的金刚石、立方氮化硼所带热量，使羰基金属络合物在金刚石、立方氮化硼颗粒表面分解，使金刚石、立方氮化硼颗粒表面均匀地镀上金属层；

c.将完成镀膜的金刚石、立方氮化硼颗粒输送至冷却钝化室钝化冷却出料，或进入下一轮加热镀膜循环，直至达到所需的镀膜厚度，最终冷却钝化出料、纯化、包装。

所述对金刚石、立方氮化硼颗粒预加热，加热温度下限应高于作为镀膜材料的羰基金属络合物沸点温度，温度上限依所需镀膜的厚度给定，以不使金刚石、立方氮化硼颗粒强度下降温度为限，具体根据所分解单位摩尔体积的羰基金属络合物所需热量经计算确定。

本发明中对金刚石、立方氮化硼颗粒预加热，加热温度选择在作为镀膜材料的羰基金属络合物沸点温度t_f以上，至金刚石、立方氮化硼颗粒不降低强度所能承受的最高温度范围，优选在(t_f+50℃)-(t_f+300℃)温度范围。

所述作为镀膜材料的羰基金属络合物选自W(CO)₆、Cr(CO)₆、Mo(CO)₆中的至少一种。

所述下一轮加热镀膜循环，可以镀上一轮相同的羰基金属络合物，以增加该种元素的镀膜厚度；也可以变换羰基金属络合物的品种，镀其它元素，或几种元素交替或混合进行镀膜。

一种上述的制备方法所用的设备，其特征是：由加热室、镀膜室、汽化室和冷却钝化室组成，加热室安装连接带振动或搅拌器的镀膜室，镀膜室上安装连通汽化室和冷却钝化室，每个室上都设有保护气进出气口和相互连通的开关，每个室都是可以密闭和排空的；每个室之间既便于输送物料，又便于隔断各自进行工作；所述的加热室、镀膜室、汽化室可多个串联亦可多个并联组装，实现封闭连续的单层、多层、单元素或多元素镀膜。

经本发明所述方法及设备表面金属化处理后的金刚石、立方氮化硼颗粒制备制品时，在胎体材料所需的烧结温度下，所镀W、Cr、Mo等金属元素与金刚石、立方氮化硼颗粒表面反应生成均匀、连续的碳(氮)化物过渡层，达到改善胎体和金刚石立方氮化硼颗粒结合状态，使胎体和金刚石、立方氮化硼颗粒之间形成键合的同时，不出现金刚石、立方氮化硼颗粒强度下降的问题，从而大大地提高金刚石制品的使用寿命、效率；本发明所述方法是一种区别于以往金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀膜方法的新方法，其工艺简单，而且克服了用传统的金属有机物化学气相沉积方法镀膜时镀膜材料蒸汽与被镀物表面吸附作用差，镀膜均匀性、连续性差的缺点。

附图说明

图1为本发明的工艺流程结构示意图。

图中：1.加料斗，2.开关(1～n)，3.保护气进气口(1～n)，4.羰基金属络合物蒸汽入口(1～n)，5.出料口，6.加热室(1-n)，7.镀膜室(1-n)，8.冷却钝化室，9.保护气出气口(1～n)，10.汽化室(1～n)，11.振动或搅拌器(1～n)。

具体实施方式

本发明所述方法具体包括以下步骤：

一是将准备用于镀膜的金刚石或立方氮化硼颗粒表面清洁干净，金刚石或立方氮化硼颗粒，以下统称磨料，其表面无油污、灰尘等污染；

二是在真空或氮气、氩气等保护性气氛下在加热室6对磨料加热，加热温度下限应高于用于镀膜的羰基金属络合物沸点温度，温度上限视所需镀膜的厚度给定，以不使磨料强度下降为限，具体根据所分解单位摩尔体积的羰基金属络合物所需热量经计算确定；

三是将已达到温度要求的热磨料颗粒输送至真空或保护气氛的镀膜室7中，并隔断两个室的连通；加热室6投入下批磨料加热；

四是对装有热磨料颗粒的镀膜室7中输送羰基金属W、Cr、Mo络合物蒸汽，在振动或搅拌条件下使其吸收磨料颗粒热量在磨料表面分解，达到镀膜的目的；

五是将完成镀膜的磨料输送至有保护性气氛的冷却钝化室8中冷却、钝化或送入下轮加热、镀膜；依次循环，周而复始；

六将冷却钝化的成品出料，筛除浮游的金属粉末，检验、包装，或进入下一镀膜循环。

本发明中对金刚石、立方氮化硼颗粒预加热，加热温度选择在作为镀膜材料的羰基金属络合物沸点温度t_f以上，至金刚石、立方氮化硼颗粒不降低强度所能承受的最高温度范围，优选在(t_f+50℃)-(t_f+300℃)温度范围。

所述作为镀膜材料的羰基金属络合物选自W(CO)₆、Cr(CO)₆、Mo(CO)₆中的至少一种。

所述下一轮加热镀膜循环，可以镀上一轮相同的羰基金属络合物，以增加该种元素的镀膜厚度；也可以变换羰基金属络合物的品种，镀其它元素，或几种元素交替或混合进行镀膜。

本发明的方法中所用设备包括加热室6、镀膜室7、汽化室10和冷却钝化室8，加热室6安装连接带振动或搅拌器11的镀膜室7，镀膜室7上安装连接汽化室10和冷却钝化室8，每个室上都设有保护气进出口3、9和相互连通的开关2。

以金刚石利用W(CO)₆镀钨为例，结合图1说明如下：

1.将清洁的金刚石加入加热室6，关闭开关2-1；

2.将整个系统抽真空或用N₂、Ar₂置换；

3.接通加热室6的热源对金刚石加热至150℃-800℃之间；

4.接通汽化室10的热源对汽化室进行预热至150℃以上；

5.步骤3、4达到预定温度后，打开加热室6与镀膜室7之间的开关2-2，将加热室6的热金刚石颗粒输送至镀膜室7，关闭加热室6与镀膜室7之间的开关2-2；向汽化室10投入W(CO)₆，打开汽化室10与镀膜室7之间的开关2-3，通过蒸汽流入口4向镀膜室7输送W(CO)₆蒸汽，开动振动或搅拌器11，实施镀膜；

6.关闭汽化室10与镀膜室7之间的开关2-3，打开镀膜室7与冷却钝化室8之间的开关2-4，将镀膜完毕的金刚石颗粒输送至冷却钝化室8冷却钝化、出料、纯化、包装。