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细化添加剂[1-3]
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。细化添加剂主要是磺酸类、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、萘而磺酸钠等。可以从加入芳香酮类物质添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[15-16]
利用超声波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通过液体时,尺寸适当的小气泡发生共振。在超声波的稀疏阶段,小泡迅速膨胀变大;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[15]。
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3O～5O[15]。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[16],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[17-18]
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[17],被用来制备金刚石工具时,可使金刚石工具的耐磨性显著提高。李照美[18]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。
2提高金刚石与胎体的接触面积
2.1采用表面粗化过的金刚石颗粒
利用粗化法让金刚石表面形成一些微小凹坑和裂隙,增加金刚石与胎体接触的表面,以提高金刚石与金属机械镶嵌力,增强“机械锚链”效应。一种强粗化方法是:用氯基盐(以NaCl+BaCl2为主)及少量脱氧剂覆盖在金刚石上面,用陶瓷坩埚加盖,在炉中加热至1000℃～1100℃之后进行保温,然后用沸水去除氯基盐。对金刚石进行加热,让氯基盐熔融对金刚石腐蚀产生石墨化,使表面形成微小粗糙的凹坑和裂隙。另一种弱粗化方法是:在室温或加热状态下让金刚石在粗化液(硝酸+硫酸或硝酸+双氧水)里侵蚀,并不停的搅拌,然后用蒸馏水清洗干净。金刚石在强氧化酸的腐蚀下表面会形成一些缺陷(如:坑、裂纹)和轻微石墨化。
2.2消除工具中金刚石颗粒与胎体间的间隙
由于金刚石属于非金属,与金属没有很好的亲和力,致使金刚石与一般金属或合金间有很高的界面能,经常产生空隙,降低了金刚石颗粒与镀层基体之间的结合力。针对这种情况,可以利用颗粒表面改性法、CVD法、超声波法、化学镀法来避免或弥补这种空隙。
2.2.1颗粒表面改性法[19]
对金刚石颗粒进行氧化处理,使其表面形成亲水的化学基团,从而提高金刚石表面的亲水性,使金刚石颗粒与镀层紧密结合。如果通过化学手段,使金刚石表面这些亲水基团被一些亲水性更高的有机基因取代,就可以进一步提高效果。
2.2.2化学镀法[20]
化学镀是在无外加电流的条件下,通过自催化过程的氧化?还原反应在金刚石表面沉积金属,从而形成厚度均匀、致密的薄膜镀层。实验发现,采用化学复合镀技术得到金刚石工具时,金刚石与金属胎体之间不存在间隙。再辅以超声波振动在金刚石颗粒周围会出现膨胀,彻底消除了间隙。微粒金刚石可以直接进行化学镀法得到工具,它可以在镀液里均匀悬浮。对于大颗粒金刚石我们建议可先进行电镀植砂,让金刚石预先固嵌在镀层中,加厚过程可采用化学镀。
3提高颗粒与胎体间的化学键结合
通过对金刚石的处理,使其表面的碳原子与金属原子形成金属/碳化学键,可以彻底解决金刚石工具中金刚石与胎体结合力不牢的问题。
3.1表面金属化[21]
利用化学镀法对金刚石颗粒进行表面处理,可使金刚石与镀层形成牢固的紧密连接。
但如果使金刚石表面全部金属化,金刚石颗粒表面拥有良好的导电性,不适用于电镀法制备金刚石工具。在埋砂的过程中,镀覆的金刚石与钢基体和镀层共同构成阴极,就会出现众多的金刚石颗粒相互粘结在一起形成成块的现象。因而研究人员采用表面有分散导电质点的金刚石制作电镀金刚石工具[21]。方法是控制金刚石表面化学镀的程度,严格控制敏化液和活化液的浓度以及敏化和活化处理的时间,使金刚石表面上金属质点的数量保持在合适范围内。虽然金刚石表面上导电质点数量增多,可增加与镀层金属间的连接点,提高镀层与金刚石的结合性能。但当金属质点过于密集时,会形成连接成片的金属薄层。
金刚石化学镀处理后,金刚石与镍钴基镀层之间的明显界线消失了,并有一些分散的镍钴连接点生长在金刚石与镀层的结合面上[21]。用经活化处理的金刚石制备电镀金刚石工具,在磨削加工Al2O3陶瓷工件时,材料去除量是未经活化处理的1.5倍[21]。但采用这种方法,金刚石颗粒与镀层间可能只是原始意义上的化学结合,并未达到真正的化学结合键,分子间作用力可能占更大比例。
电镀金刚石工具的改进研究 |
