摘要：电镀金刚石工具中存在的把持力不足、颗粒脱落等问题,严重影响了工具的使用寿命和效率。文章综述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,归纳成以下三大类:1、改进镀层胎体材料性能,提高镀层对金刚石的支撑和结合作用;2、通过提高金刚石与胎体的接触面积,消除金刚石与镀层之间的空隙;3、对金刚石颗粒表面处理,使金刚石与镀层间形成化学键结合。文中对各种方法进行了详细的描述,对一些有潜能的方法进行了推荐,以期读者对电镀金刚石工具的改进方法有一个全面系统的认识。
关键词：电镀金刚石工具;颗粒结合力;胎体材料;接触面积;化学键
中图分类号：TQ164文献标识码A
0引言
由于金刚石具有高硬度、高强度、高耐磨性以及线膨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,设备投资少,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、内外圆切割片、铰刀、线锯等专用工具,在机械、电子、建筑、钻探、光学玻璃加工等工业领域得到广泛应用[1-3]。
目前,国内外在用电镀法制备金刚石工具时,存在的主要问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,希望能给人一详细而清晰的认识。
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、高耐磨性和较高的韧性等性能要求,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[1-5]
钴不仅能提高镍金属的强度(镍钴合金的胎体抗压强度为1600MPa),而且能提高胎体金属的抗热性能,在800℃时的NiCo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NiCo二元合金镀层成为广为采用的胎体材料,然而有时NiCo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NiCo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。
1.1.2NiMn二元合金镀层[6]
金属锰比钴更能提高镍胎体硬度、强度和耐磨性。镍锰胎体硬度比镍钴胎体硬度提高洛氏(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头提高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NiMn二元合金镀层脆性较高,易开裂,使工作层易于碎裂。
1.1.3NiCoMn三元合金镀层[7]
NiCoMn三元合金镀层具有更高的综合机械性能。硬度比NiCo高,脆性又比NiMn低,正符合电镀金刚石制品对胎体的要求。采用NiCoMn三元合金镀层制作的石材工具比采用NiCo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,NiCoMn三元合金镀层成本低。NiCoMn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NiCoMn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。
1.2.1NiCo细粒金刚石复合镀层[810]
在镀液中加入适量的纳米金刚石粉,获得的NiCo金刚石复合镀层的硬度明显提高,硬度可达601.53HV[8],摩擦磨损性能显著提高: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NiCodiamond复合镀层摩擦系数为0.3左右,镀层寿命在摩擦半径为14mm时为0.15km[9]。用NiCodiamond复合镀层作金刚石钻头胎体,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[10]。由于超细金刚石粉体极易团聚,使其效能无法充分发挥,所以要采取措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。
1.2.2NiCo稀土元素复合镀层[11]
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,所以在镀液中添加稀土元素后,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。
1.2.3NiCo纳米碳管复合镀层[12-14]
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[13]。观察复合镀层的SEM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[14]。本实验室正致力于采用该复合镀层制备电镀金刚石工具的研究。
电镀金刚石工具的改进研究 |
