关于电镀金刚石工具的改进研究(上篇)

发布者:金锐 发布时间:2018/3/9 10:21:01 阅读:

由于金刚石具有高硬度、高强度、高耐磨性以及线胀系数小等一系列优异的物理化学特性,被用来制作金刚石工具用于加工硬而脆的难加工材料。电镀法制备金刚石工具是通过金属的电沉积,将松散的金刚石颗粒固结在电镀层中,使金刚石颗粒具有切削能力。采用电镀法制备金刚石工具制造温度低,避免了对金刚石的热损失,并且生产工艺简便,设备少,制造周期短,成型方便以及可以修复等。因此,电镀金刚石制品已有各种砂轮、磨头、什锦锉、掏料刀、修整滚轮、地质钻头、扩孔器、内外切割片、铰刀锯等专用工具,在机械、电子、建筑、钻探、光学玻璃加工等工业领得到广泛应用。

目前,国内外在用电镀法制备金刚石工具时,存在的主要间题是镀层胎体金属与金刚石颗粒间的结合力低,使用中金刚石颗粒受到力的作用时容易松动脱落,致使使用寿命短。产生这些现象的主要原因是用电镀法制备金刚石工具时制造温度低,致使金刚石颗粒表面不易为一般金属所浸润,不但得不到强力的化学键结合,而且经常产生间隙。另外,受电镀工艺的影响,金刚石工具镀层金属可选类型有限只限于镍、铬等少量金属及其合金)不像热压工具所使用的金属类型那样广泛。

 针对以上问题,人们采用了各种措施来解决金刚石与镀层金属的结合力。本文综合介绍了国内外近年来发展起来的改进电镀金刚石工具性能的方法并对它们进行了归纳分类,希望能给人详细而清晰的认识。


1. 改进胎体材料

电镀金刚石工具中镀层对金刚石起支撑和结合作用,被称为胎体或基质金属它决定着金刚石颗粒能否充分发挥切削作用,一般要求它满足高硬度、高耐磨性和较高的性等性能要求,所以人们首先考虑到采用提高胎体材料的性能方法改进金刚石工具。


1.1胎体金属的合金化

虽然单一镀层(如镍)具有较高的强度,特别是韧性,但是一般硬度较低,因而人们多采用合金镀层。


1.1.1Ni-Co二元合金镀层

钴不仅能高镍金属的强度(镍钴合金的胎体抗压强度为1600MPa),而且能高胎体金属的抗热性能,在800℃时的Ni-Co二元合金胎体金属强度极限为500MPa,还能提高胎体金属的韧性。因而Ni-Co二元合金镀层成为广为采用的胎体材料,然而有时Ni-Co二元合金镀层的硬度仍是不足,在加工坚硬且研磨性极强的材料时胎体消耗很快。而且Ni-Co镀层只有在钴含量达到约30%时,才能保证较高的硬度及耐磨性,大量昂贵的金属钴增加了成本。


1.1.2Ni-Mn二元合金镀层

金属锰比钴更能高镍胎体硬度、强度和耐磨性。镍锰胎体硬度比镍钴胎体硬度高洛氏(HRC)10度左右。合金中锰的含量虽然很少但对胎体性能影响很大。镍锰胎体金刚石钻头在坚硬强研磨性地层钻进时,平均寿命和时效分别比镍钴胎体钻提高55%和30%,同时镍锰胎体钻头不需高转速、大压力有利于减少材料的消耗,降低钻探成本。但是Ni-Mn二元合金镀层脆性较高易开裂,使工作层易于碎裂。


1.1.3Ni-Co-Mn三元合金镀层
        Ni-Co-Mn三元合金镀层具有更高的综合机性能。硬度比Ni-Co高,脆性又比Ni-Mn低,正符合电镀金刚石制品对胎体的要求。采用三元合金Ni-Co-Mn镀层制作的石材工具比采用Ni-Co二元合金镀层制品更加锋利,更加耐用,特别对硬质石材更能显示出优势。因节约大量昂贵材料钴,三元合金镀层Ni-CoMn成本低。Ni-CoMn三元合金镀层的机械性能可在大范围内进行调整,满足更广泛场合的需求。但在获得Ni-CoMn三元合金镀层时,镀液成分复杂,稳定性不易控制。


1.2胎体金属的复合化


复合镀层是通过共沉积的方法,将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀地夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层。由于复合镀层内均匀的弥散着大量固体微粒,这些硬质微粒会对晶粒之间的滑移产生很大的阻碍作用使金属获得有效的强化。


1.2.1Ni-Co细粒金刚石复合镀层

在镀液中加入适量的纳米金刚石粉,获得的Ni-Co-金刚石复合镀层的硬度明显高,硬度可达601.53HV,摩擦磨损性能显著高:镍钴合金镀层的摩擦系数为0.35左右,寿命在摩擦半径为14mm时平均为0.022km;含纳米金刚石粉的Ni-Co-dianond镀层摩擦系数为0.3左右,镀层寿命在摩擦半径为14mm时为0.15km。用Ni-Co-dianond复合镀层金刚石钻头胎体,制备的金刚石钻头在坚硬、强研磨性地层中钻进,耐磨性好,钻头进尺快,寿命长,且能防止孔斜。由于超细金刚石粉体极易团聚,使其效能无法充分发挥,所以要采取指施对金刚石粉进行分散。这样必然制约了超细粉体的使用价值和应用前景。


1.2.2Ni-Co稀土元素复合镀层

少量的稀土化合物的加入可使镀液和镀层性能得到不同程度的改善,在电沉积过程中,主要是阳离子吸附在金属沉积物表面上,而稀土金属离子在电极上表现出较强的吸附性,稀土金属离子易于吸附在晶体生长的活性点上,即吸附在晶面的生长点上,有效地抑制晶体的生长,所以在镀液中加稀土元素后,能得到晶粒细小的镀层。用万能外圆磨床M1420E通过对亮镍镀层和加入稀土元素的亮镍镀层金刚石工具磨削陶瓷的磨削试验研究,发现稀土元素的加入提高了金刚石工具的磨削比。亮镍镀层金刚石工具耐磨性差,胎体消耗快,不能保证金刚石的高出刃,金刚石脱落快;添加稀土的亮镍结合剂工具胎体耐磨性提高,对金刚石包镶较好,金刚石出刃高度大,因此工具的使用效率得到提高。


1.2.3Ni-Co-纳米碳管复合镀层

        碳纳米管(CNTs)具有超高的强度和韧性,作为高级复合材料的增强体,可极大地改善复合材料的强度和韧性。此外CNTs还有化学稳定性好、摩擦因数低的特性,有望制备具有高耐磨、减磨和耐腐蚀等性能的新一类复合镀层。观察复合镀层的形貌,基体表面被一层浓密的碳纳米管覆盖着,这些碳纳米管的一端深深地嵌镶于基体中,而另一端暴露于基体外,显然可以对基体起到保护作用。

1.3胎体金属的晶粒细化

镀层的结晶过程受制于晶核形成速率与晶粒生长速率。晶核形成速率越快,晶粒生长速率越慢,从而结晶越细,镀层就越致密,硬度和韧性也就越好。按照电化学理论,阴极电化学极化过电位越大,则越易形成晶核,从而结晶越细,镀层就越致密。因而人们采用提高电化学极化过电位,细化晶粒,达到改进胎体材料的目的。


1.3.1细化加剂

添加剂加入电解液后,由于它在电极表面上的吸附,增加了电化学极化,被覆盖的晶粒停止生长,产生新的晶核;新晶粒不久又被覆盖,再产生新的结核中心,于是能获得细致的结晶。其次,添加剂在晶体表面上吸附能降低晶体的表面能,因而可以降低微晶的形成,这有利于形成新晶核。细化加剂主要是磺酸类、亚磺酸类、磺酰胺类、二磺酸类等,例如糖精、对甲苯磺酰胺、苯亚磺酸、苯磺酸、萘二磺酸钠等。可以从加入芳香酮类物质加剂前后镀层表面的形貌发现,加入添加剂前的晶粒颗粒较大,而且颗粒结晶度较差,晶粒松散,加入添加剂后,晶粒颗粒明显变小,而且结晶致密。


1.3.2超声波法

利用超声能使物质作激烈的强迫机械振动,还能产生单向力的作用。当一定频率的超声波过液体时,尺才适当的小气泡发生共振。在超声的稀疏阶段,小泡迅速胀变大;在稠密阶段小泡又突然被压缩,直至崩溃。小泡被突然压缩时,周围液体以极大速度来填充空穴,附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压,这就是空化现象或空化作用。在有超声波条件下,使用高电流密度进行电镀,与常规电镀相比,可以使镀层较为细致紧密、平整光滑、厚度均匀、无孔隙、与基体结合良好,并且具有较高的强度和硬度。在频率为16kHz的超声场中电镀镍,硬度可提高30%~50%。在适当的工艺条件下,也可以使镀层的内应力低于无超声波电镀的镀层。其原因在于,当阴极电流密度高到一定值时,阴极极化急剧增加,导致析氢加剧,pH值上升,阴极出现氢氧化镍溶液,而超声波的空化现象又对这种溶胶起着细化和分散作用以及稳定作用,防止溶胶凝聚和沉淀。超声波不宜用于金刚石上砂的全过程,只用于加厚期,当金刚石磨粒埋入镀层一定厚度时,采用超声波,金刚石磨粒不会被震落,就不会影响金刚石工具的上砂数目。


1.3.3脉冲电镀与纳米胎体材料

脉冲电镀是20世纪60年代发展起来的一种新型的电镀技术。其依据的电化学原理是:在一个脉冲周期内,当电流导通时,电化学极化增大,阴极区附近金属离子充分被沉积,镀层结晶细致光亮;当电流关断时,阴极区附近放电离子又回复到初始浓度,浓差极化消除。因此,脉冲电镀是采用一种新型的施电方式。利用电流或电压脉冲的张驰,降低阴极的浓差极化,从而允许更高的电流密度得到更高的电极极化,最终达到细化晶粒的作用。目前电沉积技术已经成为纳米材料的一种重要制备手段,这些材料具有很高的硬度和较好的韧性,被用来制备金刚石工具时,可使金刚石工具的耐磨性显著高。李照美等人采用脉冲电沉积法制备了纳米镍金刚石工具,对其进行磨损破坏性试验,结果表明脉冲纳米镍金刚石工具的平均寿命明显高于常规镍钴金刚石工具,约为1.5倍。


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