金刚石表面金属化（精选三篇）
金刚石表面金属化 篇1
近年来, 化学气相沉积 (简称CVD) 技术沉积金刚石涂层的切削工具被广泛用于加工诸如铜铝合金等类型的有色金属材料。由于金刚石的极高硬度, 同没有涂层的刀具相比, 金刚石涂层刀具表现更优异, 使用寿命更长。然而在应用涂层刀具到精加工中时, 由于CVD法沉积得到的金刚石晶粒较粗, 涂层刀具的金刚石晶粒一般有几μm大小, 导致金刚石涂层表面粗糙, 晶粒的尖点在工件表面划下与它高度相同的深度的划痕, 其加工精度无法满足以往要求的工件表面粗糙度要求。
举例说明, 在加工铝合金材料过程中, 要求的精加工表面粗糙度一般为最大值小于1μm。如果使用具有尖锐精确边角的硬质合金刀具, 可获得上述所说的表面粗糙度。然而, 所不足的是, 没有涂层的硬质合金刀具在接触点的抗粘着性方面远差于有金刚石涂层的刀具。为了降低金刚石涂层表面粗糙度, yoshikawa et al简单地抛光了金刚石涂层, 通过多次实验, 在克服金刚石涂层刀具上述表面粗糙度问题后, 金刚石涂层刀具已经引入到了精加工领域。然而, 由于具有复杂的几何形状, 这类技术难以应用于具有旋转轴的工具。
在此背景下, 各国开展了一系列关于金刚石涂层细晶粒的实验。其中, 德国Cemecon Gmbh已经能够把纳米金刚石涂层商业化, 其金刚石晶粒大小在10～20nm。尽管其金刚石表面相当光滑, 但是这种细小的纳米晶粒在耐磨性方面的表现尚不确定。在本研究中, 作者试图细化普通金刚石晶粒, 以达到能够满足前面提到的精加工表面粗糙度要求。使用这种新型细晶粒金刚石涂层, 可以获得表面粗糙度最大值小于1μm的光滑表面, 并且晶粒形貌的变化对金刚石涂层耐磨性和刀具使用寿命也不会产生任何影响。
2 新型金刚石涂层开发
2.1 晶粒尺寸的控制
典型的CVD金刚石晶粒通常呈柱形结构, 这类金刚石涂层刀具的表面晶粒形貌如图1 (a) 。在生长面, 目前大多数用于切削刀具的涂层, 晶核尺寸在5～10μm, 厚度14μm。金刚石涂层合成大多采用CVD法。为了沉积出表面更光滑的金刚石涂层, 我们尝试通过改变CVD沉积条件, 来减小晶粒尺寸, 例如通过控制腔体压强、基体温度、灯丝温度、流速等参数来降低晶粒长大速度, 提高新核的二次成核。基体材料选择钴含量6%的硬质合金, 其晶粒大小为1～2μm。为了提高金刚石的附着力, 在金刚石沉积前, 通过化学方法腐蚀, 把基体表面弄得粗糙些。本研究中, 新型细晶粒金刚石涂层的晶粒形貌如图1 (b) , 涂层厚度为12～14μm。金刚石晶粒被成功的控制在2μm以下, 涂层表面粗糙度小于1μm。图1 (b) 所示的表面明显比图1 (a) 所示表面光滑。
(a) 传统普通晶粒涂层 (b) 新型细晶粒涂层
2.2 表面预处理条件的优选
一旦能够成功地在涂层表面得到更细小的晶粒, 基体表面的粗糙度对涂层表面的粗糙度影响, 就显得尤为重要了。要制造出表面更光滑的切削刀具, 基体表面形貌也必须被优选。
在产品生产过程中, 如图2a-1所示, 基体表面粗糙度正常情况下被控制在3～5μm。然而, 正如图中所示, 在预处理后的表面会出现无规律的凸起物。如图2a-2所示, 基体表面的这些凸起导致在细晶粒涂层表面产生半球形凸起, 高度可达5μm。在新型细晶粒金刚石涂层应用于精细加工刀具之前, 涂层上半球形的凸起一直被忽略了。因为在切削边缘, 凸起的外观常被转移到器件光滑表面。为了避免这些问题, 我们试着在没有降低金刚石涂层附着力的情况下减小涂层基体表面粗糙度。在经过许多实验后, 发现可用于制造表面更光滑的涂层, 基体表面粗糙度最大值小于2μm。
图2b-1显示。优选后基体表面均匀一致, 没有发现无规律的凸起物。
图2b-2是在改进后基体表面沉积细晶粒金刚石涂层的照片。绕着涂层表面切削边角, 看起来很光滑, 无任何半球形凸起。
随着上述改进的进行, 涂层外观形貌被彻底改变了。两种类型的金刚石涂层立铣刀照片如图1所示。普通涂层和新型细晶粒涂层外观大有不同。前者 (图1 (a) ) 表面显得毛糙, 后者 (图1 (b) ) 表面很像PVD涂层。
a-1:粗糙的基体表面 a-2:涂层表面半球形凸起b-1:光滑基体表面 b-2:光滑金刚石涂层表面
3 新型金刚石涂层刀具的表现
通过加工铝合金来进行新型金刚石涂层刀具的切削实验。与普通金刚石涂层铣刀相比, 涂层为新型细晶粒金刚石的立铣刀的实验结果及测试的切削条件如图3所示。在这些实验中, 测试对象为JIS A7075铝合金, 如图3所示, 我们得到了很好的结果。细晶粒金刚石涂层立铣刀加工出了粗糙度最大值小于1μm的光滑表面。而普通晶粒大小的金刚石涂层刀具加工件的粗糙度为2.3μm。这是首次实现金刚石涂层立铣刀加工精度达到与非涂层硬质合金立铣刀加工结果相同的光滑表面。
在切削条件相同的情况下比较两种金刚石涂层的耐磨性, 在高硅铝合金 (硅含量12%) 上进行切削测试直到每个立铣刀切削长度1000米。在测试中, 细晶粒涂层表面的立铣刀粗糙度没有明显变化, 在测试后, 刃口几乎没有观察到磨损。然而在普通金刚石涂层立铣刀测试中, 观察到在涂层刃口一角有切削脱落, 事实说明, 新型细晶粒金刚石涂层与普通金刚石涂层相比, 耐磨性和使用寿命均没有降低的迹象。
4 结论
成功研发了细晶粒金刚石涂层刀具。重点归纳如下:
(1) 通过控制二次成核条件, 研究出细晶粒金刚石。晶粒尺寸小于2μm, 可获得非常光滑的立铣刀刃口表面。使用这种新型细晶粒金刚石涂层立铣刀切削铝合金材料, 可得到与有尖锐刃口的非涂层硬质合金刀具所加工得到的相同精细光滑表面。
(2) 细晶粒金刚石涂层显示出与正常一般晶粒金刚石涂层一样高的耐磨性和持久性。
摘要：尽管金刚石涂层刀具具有许多独一无二的特性, 但是由于金刚石晶粒粗大, 容易造成刀具表面粗糙, 所以阻碍了其在精细加工领域的应用。文章开发了一种金刚石晶粒细小的新型金刚石光滑涂层, 刀具表面粗糙度最大值小于1μm。采用这种涂层的立铣刀具进行了一系列有色金属切削测试, 通过观察发现, 精加工后的器件表面粗糙度最大值小于1μm, 获得了和使用无涂层硬质合金立铣刀表面粗糙度一样的加工效果。并且, 没有对表面涂层的耐磨性和刀具使用寿命产生任何影响。
金刚石表面金属化 篇2
一、不锈钢金属表面硅烷化处理工艺的优点
不锈钢金属表面利用有机硅的特殊分子结构进处理的过程就是不锈钢金属表面硅烷化处理，这种处理方式具有很多的工艺优点，主要包括以下几点。首先，在对不锈钢金属表面进行硅烷化处理时，有害或者磷等重金属离子不会应用在其中。其次，该表面处理的工艺比较容易控制，并且时间短、流程简单。再次，在不锈钢金属表面硅烷化的处理过程中，不会进行加温操作，也不会有沉渣的产生，这样就能够循环使用槽液。然后就是还能够使得基材与油漆的结合率得到提升。最后，不锈钢金属表面硅烷化处理能够对多种基材进行共线处理，例如铝、锌以及铁等。由于不锈钢金属表面硅烷化处理工艺的优点很多，这就使得被广泛的应用在普通工业中。此外，在进行不锈钢金属表面硅烷化制备时，其制备工艺会谁硅烷膜性能造成很大的影响。硅烷偶联剂水解时间、硅烷液浓度、金属基体在硅烷液的浸渍时间、硅烷液PH 值、处理后老化时间以及老化温度等都是影响不锈钢金属表面硅烷膜性能的主要影响因素。
二、不锈钢金属表面硅烷化处理的应用
（一）硅烷处理技术原理。化学官能团是硅烷分子主要含有的，并且通常其化学官能团有两种。一种化学官能团能够个无机材料表面的羟基发生化学反应，形成共价键，例如玻璃纤维、金属氧化物、金属以及硅酸盐等。另一种化学官能团可以与树脂发生化学反应，形成共价键。为了能够有效的提高复合材料的性能，就可以将 性质不同的两种材料进行有机的结合。在硅烷处理技术的成膜过程中，首先先进行硅烷偶联剂的水解，水解完成之后就能够得到Si-O-Me共价键，主要是由硅烷联合水解后得到的硅醇与金属基体表面存在的MeOH所反应生成的。最后就可以通过在不锈钢金属表面的硅醇偶联交叉从而形成网状保护膜。不锈钢金属基体能够和硅烷膜形成共价键，并且剩余的硅醇将进行脱水缩合，经过交联能够得到网状覆盖膜。硅烷化处理技术在不锈钢金属表面硅烷化处理的应用中是非常重要的，只有明确其处理技术的原理，才能够更加的应该该技术进行不锈钢金属表面硅烷化的处理。
（二）硅烷处理对基体的一些要求。锌、铜、铁、镁以及其金属合金的防护都会受到硅烷的作用，但是硅烷分子结构对进行硅烷化处理的不锈钢金属表面影响力较大的是金属的涂层结合力与金属集体。相关专家对硅烷分子结构进行分析，探索其对不同金属基体的适应性，从而得出了不同分子结构的硅烷对不同金属基体的适应能力存在的差异，并且以影响预测的因素比较的多。不锈钢金属基体的前段处理在金属表面硅烷化处理工艺中是十分重要的，并且硅烷膜的质量与后期装涂也会直接受到金属基体前段处理效果的影响。一般情况下，无磷脱脂剂是在金属表面硅烷化处理过程中必须使用的，通过无磷脱脂剂来对不锈钢金属表面的其他杂志或者油污等进行彻底的清洗。清洗结束后，还应该利用含有金属对其再次清洗，从而将金属表面上的杂质与油污清洗干净。之后还需要对除油后的金属基体进行再次的清洗，这时使用的就是含有氢氧化钠的稀碱溶液。最后将金属基体在清水中进行浸洗，浸洗结束后才能够进行硅烷化的处理。在不锈钢金属表面硅烷化的处理过程中，只有掌握硅烷化处理对基体的一些要求，才能够取得较好的处理效果。
（三）硅烷偶联剂选择与硅烷膜的防腐蚀性。硅酸盐、橡胶以及以二氧化硅为填料的塑料的加工和性能的改进提高都需要利用硅烷偶联剂进行处理。金属表面涂层的附着能力能够通过硅烷渡层来提高，同时也能够通过硅烷渡层来对金属表面进行氧化与腐蚀的保护，被当作防腐层进行使用。在硅烷偶联剂中，具有较多的分子结构Si-O的键数，这就增加了与同金属基材结合的机会，从而使得形成的网状结构覆盖硅烷膜层变的更加的致密，并且具有良好的防腐蚀效果。亲水性与疏水性是硅烷偶联剂的主要形式，在溶解疏水性硅烷时，为了辅助其溶解，需要在其中加入大量的有机溶剂。在使用前需要对硅烷偶联剂进行熟化，这样能够确保硅烷在水解过程中能够得到充足的硅醇。后期涂装效果会受到基材与硅烷膜结合程度的影响，结合的越牢，其涂装效果就越好。此外，硅烷膜性能的主要特征之一就是耐腐蚀性，通过相关的试验分析得出，不锈钢金属表面进行硅烷化的处理够，能够使其基材的耐腐蚀性能得到大幅度的提高，并且也能够使涂层与基材的结合能力得到提高。在不锈钢表面的处理过程中，涂装前的铬钝化与磷化等处理都能够通过金属表面硅烷化处理工艺所替代。不锈钢金属表面硅烷化处理工艺非常的简单，并且具有较低的投入成本，处理后的金属基体性能也得到了提高。因此，必须加强对不锈钢金属表面硅烷化的处理应用。
三、总结
金属表面硅烷化技术概述 篇3
表面硅烷化成膜技术是一种新型的技术。硅烷化处理是以有机硅烷为主要原料对金属或非金属材料进行表面处理的过程。硅烷化处理与传统磷化相比具有以下多个优点:无有害重金属离子,不含磷,无需加温,对人体和环境无害,满足国家环保技术的要求。硅烷处理过程不产生沉渣,处理时间短,控制简便;处理步骤少,可省去表调工序,槽液可重复使用;有效提高油漆对基材的附着力;可共线处理铁板、镀锌板、铝板等多种基材。本文将分别从以下几个部分对表面硅烷化技术这一金属绿色表面处理技术进行阐述。
1 表面硅烷化试剂的结构特征
表面硅烷化试剂是一类具有特殊分子结构的有机硅化合物,其分子通式为X-R-SiY3。其中Y为连接在硅原子上的可水解基团,如氯基、溴基、酰氧基等;R是非水解的脂肪族链;X是可与有机材料发生反应的基团,如氨基、环氧基、巯基、己烯基等。由此可见,此类有机硅化合物既可以与有机化合物的长分子链反应又可以与无机物分子中的羟基作用,达到偶联的效果,从而能改进材料的各方面性能,如电性能、物理性能、光性能等[4]。
2 表面硅烷化试剂与金属的作用机理
表面硅烷化试剂能在难相容的界面,如在有机材料与无机材料的界面上实现连接,对于这一界面作用机理有多种解释,主要有化学键理论[5]、表面浸润理论[6,7]、可逆平衡理论、物理吸附理论等。但是单一理论难以合理解释这一复杂的界面现象。通常认为Arkles B提出的化学键理论能较充分时地解释硅烷偶联剂与无机材料界面的作用机理。根据化学键理论,硅烷偶联剂与无机材料界面的偶联过程是一个复杂的液固界面物理化学过程。
化学键理论的主要内容为:首先,由于硅烷偶联剂的表面张力相对较低,对无机材料表面的接触角也较小,因此可在陶瓷、金属、玻璃表面迅速的铺展开,使得无机材料表面迅速被硅烷偶联剂浸湿。
其次,硅烷偶联剂在无机材料界面展开,材料界面被浸润后,在空气中和材料表面的水分的作用下水解,形成硅羟基,同时与无机材料界面的羟基发生作用形成氢键。
然后,在固化过程中,水解形成的硅羟基与无机材料界面的羟基之间和硅羟基之间脱水,缩合形成Si-O-In键和Si-O-Si共价键。这一网状结构使得硅烷偶联剂与无机材料界面之间形成紧密的连接。
化学键理论的作用机理见图1。
3 金属表面硅烷化试剂的种类
金属表面硅烷化试剂分为单硅类和双硅类硅烷偶联剂,单硅类硅烷试剂如:γ-氨丙基三乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷等,双硅类硅烷试剂如:双-[γ-(三乙氧硅)丙基]四硫化物等。双硅类硅烷试剂水解后,一分子硅烷可以得到六分子的硅羟基,比单硅类硅烷试剂多出1 倍。所以,双硅类硅烷偶联剂在金属表面的粘结性能更好,形成的硅烷膜更致密,对金属的防护效果相比单硅类硅烷试剂更好。
硅烷试剂脂肪链段的长度对对硅烷膜的保护效果也有一定的影响,随着链的增长,硅烷膜的腐蚀防护性能随之增强。Zucchi等[8]分别使用CH3-(CH2)7-Si-(OCH3)3和CH3-(CH2)17-Si-(OCH3)3对镁合金进行了表面硅烷化研究,结果表明,后者比前者的腐蚀防护效果要好。这是由于,链的增长能提高硅烷试剂的疏水性能,使腐蚀性溶液更难浸入到金属界面。
一些硅烷试剂的链端存在能与金属配位的基团结构,如氨基、巯基。这类硅烷试剂与金属表面不仅能形成Si-O-Me键和Si-O-Si共价键,氨基或巯基和金属还能形成配位键,这样就使金属表面硅烷膜更致密,其腐蚀防护性能更好[9,10,11]。
在硅烷试剂中掺杂无机纳米粒子和小分子如二氧化硅,可以增强硅烷膜的腐蚀防护性能。研究表明,硅烷试剂中掺杂无机纳米粒子和小分子能可以促进硅羟基之间的交联,形成密度更大的Si-O-Si键,同时掺杂无机纳米粒子和小分子的硅烷膜还能有效的阻止腐蚀溶液的沿着膜空隙的浸入。这种“自修复”功能可有效的提高金属表面硅烷膜的保护性能[12]。
4 铜表面硅烷化
近些年,用硅烷偶联剂对金属表面进行钝化处理的研究越来越越多,研究表明金属表面硅烷处理形成的硅烷涂层可以作为金属的最终保护涂层[13,14,15]。近年来,用硅烷偶联剂对金属表面进行钝化处理的报道屡见不鲜,其使用范围已经扩大到铁、锌、镁、铝、锰及其合金等的腐蚀防护应用[16,17,18,19,20,21]。近年,铜表面硅烷化技术也得到了一定的提高。黄令等[22]应用自组装技术在铜表面制备了3-巯基丙基三甲氧基硅烷自组装膜,采用电化学方法考察了3-巯基丙基三甲氧基硅烷自组装膜在5%氯化钠溶液中对铜电极的缓蚀性能,结果表明,3-巯基丙基三甲氧基硅烷自组装膜表现出较好的抗腐蚀性。De-florian等[23]研究了三乙氧基硅烷的加入对环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷在铜表面成膜及其腐蚀防护效果的影响,用电化学方法测试其腐蚀防护性能,结果表明,环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷很难在铜表面形成有效的保护膜,但是在环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷中加入三乙氧基硅烷可在铜表面形成有效的保护膜,对铜箔的腐蚀起到很好的防护效果。Chen Shuogang等[24]用十四烷基酸在铜表面制备疏水膜,采用SEM和EDS观察了表面结构,用动电位极化和电化学交流阻抗测试了疏水膜的腐蚀防护性能,结果表面,疏水膜有很好的腐蚀防护性能,但是其与铜表面的粘结性能不好,但是在十四烷基酸中加入BTESPT后不仅改善了疏水膜与铜表面的粘结性能,同时增加了其腐蚀防护效果。