（农业机械化工程专业论文）外加磁场对改进电镀金刚石工具性能的研究.pdf

河南农业大学硕一卜论文 摘要 摘要 基于学者对外加磁场影响下金属或合金镀层性能变化的研究和弱化金刚石颗粒所带磁 性对金属沉积层结构的影响，本实验引入外加交变磁场以期综合提高电镀金刚石工具的性 能。本研究分别引入外加交变磁场和外加恒定磁场，并且分别对普通直流电镀n i - c o 镀层及 以此镀层为胎体的电镀金刚石工具性能，对脉冲纳米n i - c o 镀层及以此为胎体的电镀金刚石 工具性能的影响进行了考察。考察过程中使用了金像显微镜、显微硬度仪、扫描电子显微镜 ( s e m ) 、x 射线衍射仪等有效的观察与测试手段。得出如下实验结果： ( 1 ) 外加磁场的引入，沉积离子受到磁流体力学效应( m h d ) 等因素的影响，改变了沉 积状态，从而改变了沉积层的微观结构与性能，但沉积层的晶体结构没有变化( 均为面心立 方结构( f c c ) ) 。 ( 2 ) 外加恒定磁场对镀层性能影响显著，但对金刚石工具的表面形貌和磨削性能影响 不显著，小范同磁场强度内有恶化现象。外加交变磁场对镀层性能及金刚石工具表面形貌和 性能影响均显著，表现在表面结瘤弱化或消除，工具胎体与金刚石颗粒之间沟槽现象明显减 弱。 ( 3 ) 外加恒定磁场引入后对普通和脉冲镀层的影响不是很明显，硬度提高值在2 0 - 4 0 h v 之间。外加交变磁场引入后普通n i - c o 镀层硬度提高i o o h v 左右，而脉冲纳米n i - c o 镀层可 提高1 6 5 1 n 。 ( 4 ) 外加磁场引入后，磨削试验证明，外加恒定磁场引入对以普通和纳米n i c o 镀层 为胎体的金刚石工具性能影响不明显，还有恶化现象。外加交变磁场引入后，以普通n i c o 镀层为胎体的工具寿命为传统工具的1 5 倍，工具效率提高2 0 2 1 ；以纳米n 卜c o 镀层为 胎体的工具寿命为传统工具的1 3 倍，磨1 1 t i 力提高了3 0 。 ( 5 ) 外加磁场后对金属离子沉积状态的研究，为以后研究电镀中离子的沉积机理提供 一种了较为有价值的思路与方法。 ( 6 ) 本实验为提高金刚石工具性能提供了一种经济( 无任何新药品增加，成本低廉) 、 环保( 无添加可能的污染源) 、有效的新技术。 关键词：电镀；金刚石j ：具；交变磁场：恒定磁场；n i c o 镀层；性能改进；磁流体力学效 应 河南农业人学硕士论文 英文摘要 英文摘要 s t u d yo ni m p r o v i n gt h ep r o p e r t i e so fe l e c t r o d e p o s i t e dd i a m o n dt o o l s b ya p p l y i n gm a g n e t i cf i e l dd u r i n gt h ep r o d u c t i o n s u p e r v i s o r ：v i c ep r o y u n d o n gl i m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：h u i y a n gl u a b s t r a c t ：b a s e do nt h e r e s e a r c h e so ft h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l de f f e c t so nt h e m i c r o s t r u c t u r eo fm e t a lo ra l l o y sp l a t i n ga n dt h e i m p a c t so fd i a m o n dg r a i n s m a g n e t i s mo nt h ep r o p e r t i e so fe l e c t r o d e p o s i t e dd i a m o n dt o o l s ，t h i ss t u d yi n t r o d u c e d t h em a g n e t i cf i e l di n e l e c t r o d e p o s i t e dd i a m o n dt o o l sp r o c e s s i n gt oi m p r o v et h e o v e r a l lq u a l i t yo fd i a m o n dt o o l s t h i ss t u d y , ii n v e s t i g a t e dt h ei m p a c t so fm a i n l yt w o k i n d so fm a g n e t i cf i e l d ，s t a t i ca n da l t e r n a t em a g n e t i cf i e l d ，o nt h ev a r i o u sn i c o p l a t i n gr e s p e c t i v e l y s o m ee f f e c t i v er e s e a r c h i n ga n da n a l y s e sa p p a r a t u ss u c ha s m e t a l l o g r a p h i ca n a l y z e r , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，m i c r o h a r d n e s st e s t e r a n dx r a yd i f f r a c t i o nw a su s e di n t h i s s t u d y t h e r e s u l t sw e r es u m m a r i z e da n d i l l u s t r a t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cf i e l d ，t h ep r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h ep l a t i n gw e r ec h a n g e dd u et ov a r i o u sr e a s o n ss u c ha sm a g n e t o h y d r o d y n a m i c ( m h d ) e f f e c t ，b u tt h ec r y s t a l l i n es t r u c t u r eo ft h ep l a t i n gw a sn o tc h a n g e ds t i l lt ob e f e e ( 2 ) a l t h o u g ht h ep r o p e r t i e s o fp l a t i n gw a sd r a m a t i c a l l yc h a n g e dw i t ht h e a p p l i c a t i o no fs t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，b u tt h em o r p h o l o g ya n dq u a l i t i e so fd i a m o n d t o o l sw e r en o ts om a n yd i f f e r e n c e sw i t hb e f o r e ，t os o m ee x t e n t ，s o m em o r e d e t e r i o r a t i n gp h e n o m e n aw e r er e m a i n e du n d e ro b s e r v a t i o n m e a n w h i l e ，a l lt h e p r o p e r t i e s o fp l a t i n ga n dd i a m o n dt o o l sw e r es i g n i f i c a n t l y c h a n g e dw i t h t h e a p p l i c a t i o no fa l t e r n a t em a g n e t i cf i e l d ，t h ed e t e r i o r a t i n gp h e n o m e n ao fn o d u l e sa n d o v e r p l a t i n gw a sd e c r e a s e d ，t h eg a p sb e t w e e nd i a m o n dg r a i n sa n dm a t r i xn a r r o w e do r e l i m i n a t e da n dt h em a t r i xs u r f a c em i c r o s t r u c t u r es e e m sr e f i n e d ( 3 ) t h em i c r o h a r d n e s so fp l a t i n gw a sn o ti m p m v e ds om u c ho n l ya b o u t3 0 4 0 h va f t e rs t a t i cm a g n e t i cf i e l d a p p l i e da n dw a se n h a n c e db ya l m o s t1 6 5 h va f t e r a l t e r n a t em a g n e t i cf i e l da p p l i e d ( 4 ) s h o w nb yt h ec u t t i n gt e s t ，t h es e r v i c el i f eo ft h ee l e c t r o p l a t e dd i a m o n dt o o l t h a tw a sp r e p a r e dw i t ht h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l dw a s1 3 1 5t i m e st h a nt h et o o l s 4 7 p r e p a r e dw i t h o u t t h ea l t e r n a t em a g n e t i cf i e l d ，t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yc a nb er a i s e db y 2 0 2 1 3 0 ( 5 ) an e wm e t h o dw a ss u p p l i e dw i t ht h i sp a p e r f o r t h ee x p l o r a t i o no fd e p o s i t i o n m e c h a n i s mi ne l e c t r o p l a t i n gp r o c e s sd u et ot h es t u d yo fd e p o s i t i n gs t y l eo f t h ec a t i o n ( 6 ) an o v e li m p r o v i n gt e c h n i q u eo ft h ee l e t r o d e p o s i t e dd i a m o n dt o o l sw a s s u p p o r t e db yt h i sp a p e rw h i c hw a se c o n o m i c a l ( n oa d d i t i o n a lc h e m i c a l s ，l o wc o s t ) ， e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y ( n oa d d i t i o n a ls o u r c e s o fp o l l u t i o n ) a n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：e l e c t r o d e p o s i t i o n ，d i a m o n dt o o l ，a l t e r n a t em a g n e t i cf i e l d , s t a t i cm a g n e t i c f i e l d ，n i c op l a t i n g ，p r o p e r t yi m p r o v i n g ，n a n o p l a t i n g ，m a g n e t o h y d r o d y n a m i c ( m h d ) e f f e c t 河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论外加磁场对改进电镀金刚石工具性能的学位 文题目研究级别 硕士 学 学生 卢汇洋 科 导师 姓名专 农业机械化工程李云东 姓名 业 学位论文 否 如需保密，解密时间年月日 是否保密 研究篡：多7 勃新躲锨 日期：。f 年月栌1 日期删多年f 月僭日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。 一。_ 也二f 日期：侈1 年厶月fx 同1 日期：巧年6 月日日期：口7 年肜f 广i - 河南农业大学硕上论文 致谢 致谢 光阴荏苒，三年的研究生生活就要结束了，在这三年研究生生活快要结束之 际，回想往事，追忆点点滴滴，内。f l , 不免泛起些许挥之不去的感慨。大学毕业之 后，在历经三年辛苦的远洋海员生活之后，我是抱着重新塑造自我的强烈心愿再 次走进学校的。现在在母校老师和同学的关怀与关心下，我可以说我完成了这个 愿望，只有在今后的历程中百尺竿头更进一步来报答母校对我的培养和再造之恩 情。 三年的学习生活中，让我很幸运的师从李云东老师。首先在生活上，李老师 那宽广的胸怀与高尚的品质，深深地触动了我，开阔了我的心境，给我思想上增 添了弥足宝贵受用一生的经验和教诲。李老师的每一句话仍萦绕耳畔，让我明白 惟有清白亮洁之品格，才能成清白亮洁之事才能成清白亮洁之人生。学术上李老 师治学严谨、学识渊博，为我学术的追求点亮了一盏璀璨的明灯。感谢李老师， 感谢对我学习和生活同样无微不至的师母江辉老师。 感谢余泳昌老师、刘存祥老师、李保谦老师、姚新胜老师、李冠峰老师、刘 军老师、胡建东老师、史景钊老师、王万章老师在生活和学习上对我的关切，正 是有他们的关怀，我才能在学习研究中走的一帆风顺。感谢研究生处和机电学院 的各位老师三年来对我思想、生活、工作上的指导和关心。 感谢师兄黄志伟、李立波等同学在实验过程中的无私帮助，感谢同窗好友王 威立、栗文雁、吕金龙、王晓雷、霍治军、宋中界、安晓东、李喜朋、胡丰收、 王旭然和李洲同学对我学习和生活上的帮助与支持。在这里，我要祝福所有和我 共度三年研究生生活的同学们，祝你们事业有成、幸福美满! 卢汇洋 2 0 0 9 年5 月2 1 日 于河南农业大学 河南农业入学硕十论文正文 1 文献综述 1 1 电镀金刚石工具概述 近数十年来金刚石工具的制造工艺有了长足的进展，应用研究领域也在不断扩大。传统 工具在使用中普遍存在着加工效率低、加工质量差、工具安全性低等缺点，而金刚石工具在 加工质量、使用寿命、加工效率几个方面指标成倍的提高，表现出高效、低耗、安全的特点。 因此被广泛应用于机械加工工业、光学玻璃工业、电子电器工业和信息工业工艺美术及日用 品工业。制造金刚石工具的方法有很多种，如粉末冶金法、电镀及复合镀等，随着电镀法制 备金刚石工具工艺的不断完善和其优异的特点，逐渐被人们所认可和重视。 电镀法制造金刚石工具是利用电镀原理将金属沉积到金刚石颗粒上并同持在特定形状 的刚质件上，这种制造方法决定了电镀金刚石工具比其它方法制造的工具有其独特的优点： 1 ) 容易制造出各种形状复杂的工具；2 1 可以借助镀层的厚度来控制金刚石粒的出刃以适应 不同的加工要求；3 ) 生产流程简单，成本低；4 ) 具有锋利的磨削与切削等性能。电镀金刚石 工具有如此多的优越性，因此市场需求量大。 电镀法金刚石制品有各种砂轮、磨头、什锦锉、掏料刀、修正砂轮、绞刀、线锯、扩 孔器、内外圆切割片等各种各样的专用工具。在机械、电子、建筑、钻探、医学光学玻璃加 工等工业领域得到广泛应用。典型的例子有：电镀金刚石滚轮已成功地应用于修正成型磨削 用的普通砂轮。电镀金刚石内外圆切割片是切割半导体等这种硬脆贵重材料的最佳工具。采 用电镀金刚石掏料刀，可以直接在光学玻璃板材上掏取各种规格的光学仪器镜头的圆片。电 镀金刚石钻头和扩孔器显示出了独特优越的性能，成为国内外钻探部门的发展方向。可以采 用电镀工程套钻，进行混凝土构件及房屋的墙壁上大空，为施工提供方便。各种宝石、陶瓷、 玻璃等工艺美术品的雕琢和磨花，普遍采用各种形状的金刚石磨头等电镀制品，极大地提高 了加工效率和加工质量吲。 1 2 电镀金刚石工具存在的问题及改进方法 金刚石颗粒在电镀金刚石工具中只是机械地镶嵌于胎体材料中，所以金刚石工具的使用 寿命和效率很大程度上取决于胎体材料的硬度和耐磨性。但是一般而言高硬度的材料都具有 明显的脆性，所以下业生产中一直没有找到很理想的金刚石j r 具胎体材料。另外普通的金刚 石工具从表面形态上来看都有许多结瘤，金刚彳i 颗粒与胎体之间都有明显的沟槽，这些较严 重的影响了工具作业过程中金刚石颗粒的出刃率和胎体对金刚彳i 颗粒的把持力，直接造成了 工具效率低下和使用寿命。基于此，提高金刚石工具的寿命从提高胎体材料的性能和金刚石 颗粒与胎体的结合力，依此还能优化金刚石工具的表面形貌( 如减少结瘤等也可以很大程度 上提高工具的寿命) 三个方面来考虑。 2 河南农业大学硕士论文正文 1 2 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 2 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 ) n i - c o 二元合金镀层 钻不仅能提高镍金属的强度( 镍钴合金的胎体抗压强度为1 6 0 0 m p a ) ，而且能提高胎体 金属的抗热性能，在8 0 0 c 时的n i - c o 二元合金胎体金属强度极限为5 0 0 m p a ，还能提高胎体 金属的韧性。因而n i c o 二元合金镀层成为广为采用的胎体材料，然而有时n i - c o 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n i - c o 镀层 只有在钴含量达到约3 0 时，才能保证较高的硬度及耐磨性，大量昂贵的金属钻增加了成 本7 - 1 0 1 。 ( 2 ) n i m n 二元合金镀层 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( h r c ) 1 0 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5 5 和3 0 ，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 n i - m n 二元合金镀层脆性较高，易开裂，使： 作层易于碎裂1 。 ( 3 ) n i - c o m n 三元合金镀层 n i - c o - m n 三元合金镀层具有更高的综合机械性能。硬度比n i - c o 高，脆性又比n i - m n 低，正符合电镀金刚石制品对胎体的要求。采用n i c o - m n 三元合金镀层制作的石材工具比 采用n i - c o 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 节约大量昂贵材料钻，n i - c o m n 三元合金镀层成本低。n i - c o - m n 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n i c o - m n 三元合金镀层时，镀 液成分复杂，稳定性不易控制引。 1 2 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同体颗粒、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同体微粒，这些硬质微粒， 会对品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 ) n i - c o 一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n i c o 一金刚石复合镀层的硬度明显提高， 3 河南农业大学硕士论文正文 硬度可达6 0 1 5 3 h v ”3 1 ，摩擦磨损性能显著提高：镍钴合金镀层的摩擦系数为0 3 5 左右，寿 命在摩擦半径为1 4 m m 时平均为0 0 2 2 k m ；含纳米金刚石粉的n i c o d i a m o n d 复合镀层摩擦 系数为0 3 左右，镀层寿命在摩擦半径为1 4 m m 时为0 1 5 k m 引。用n i c o d i a m o n d 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，且能防止孔斜引。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3 - 1 引。 ( 2 ) n i c o 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，有效地抑制品体的生 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m 1 4 2 0 e 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，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n 引。 ( 3 ) n i - c o 一纳米碳管复合镀层 碳纳米管( c n t s ) 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1 。此外，c n t s 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引。通过观察复合镀层的s e m 形貌的，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 露丁二基体外，显然可以对基体起到保护作用引。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。 1 2 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品粒生长速率。晶核形成速率越快，晶粒生长速 率越慢，从而结品越细，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，则越易形成品核，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，细化品粒，达到改进胎体材料的目的。 ( 1 ) 细化添加剂 添加剂加入电解液后，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，产生新的品核；新品粒不久又被覆盖，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品体的表面能，因而可以降低微晶的形成，这有利于 形成新品核。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，2 h a 添加剂前的品粒颗粒较大，而且颗粒结晶度较差，品粒松散，加入添加 4 河南农业火学硕上论文正文 剂后，晶粒颗粒明显变小，而且结晶致密8 1 。 ( 2 ) 超声波法 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幢训。 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 1 6 k h z 的超卢场中电镀镍，硬度可提高3 0 - 5 0 比训。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，p h 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 上砂的全过程埋，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。 ( 3 ) 脉冲电镀与纳米胎体材料 脉冲电镀是2 0 世纪6 0 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幢2 删。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 引，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8 1 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。 1 2 2 改进金刚石颗粒与胎体的结合 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【8 1 。特别是用电镀法制备金刚f 门：具时，制造温度低，不能使金刚石表面的碳原子 发生界面反应，生成碳化物从而与胎体金属实现化学键结合，金刚彳i 颗粒仅仅被机械地镶嵌 于镀层基体之中。另外，由于金刚石表面的特殊性，使电镀液对金刚石表面润湿性不好，导 致镀层与颗粒间产生间刚9 1 。因此出现结合力不高的情况有下列几种原因0 1 ：a ：镀前处理不 良。主要表现为基体表面不平、除油后水洗不净。b ：p h 值偏高。在硼酸含量不足时，会使 镀液的p h 值升高，尤其在电流较大时，阴极上析氢造成局部( 电流密度高的地方) p h 值 升高从而形成碱式碳酸镍共沉淀，造成镀层起皮。c ：阴极电流密度太高，而温度太低。由于 温度低，金属离子的扩散速度较慢，电流过大会造成金属界面浓差极化增大，以生产碱式碳 5 河南农业人学顾十论文正文 酸镍。另一方面，电流过大，温度低，镀层的内应力加大，也会造成镍层结合力差。d ：电镀 液中杂质过多。铜杂质会置换到金属表面，造成结合力不好，而有机杂质会使镀层发脆，铁 杂质会使p h 值不稳定形成氢氧化铁夹杂造成气泡。 目前解决镀层胎体与金刚石颗粒合力不高的办法有： ( 1 ) 表面金属化 金刚石表面金属化后，金刚石表面具有金属特性，该表面层不仅能填补金刚石本身的微 孔隙和裂纹，还能促进金刚石与胎体金属之间的浸润能力，可以提高金刚石颗粒与金属的紧 密结合。 ( 2 ) 表面粗化 利用粗化法让金刚石表面形成一些微小凹坑和裂隙，增加金刚石的表面粗糙度，以提高 金刚石与金属机械镶嵌力，增强“机械锚链”效应。加大金刚石表面粗糙程度还有另外两方 面的作用：一是粗化后的金刚石表面形成一些微小的凹面，由于在这些凹面上金刚石表面 吸附力大，有利于金属离子在该处的吸附，便于后续化学镀及电镀的进行；二是使金刚石表 面上原有的一些凹面和位错连通，在金刚石表面形成台阶，为化学镀或电镀金属沉积层的生 长提供了有利条件。 ( 3 9 v d 法 运用金刚石的c v d 沉积技术对制备好的金刚石工具进行修复处理，不仅可使新形成的 金刚石沉积于工具中的间隙里，又可以使工具中的金刚石颗粒得到再生机会，表面进一步发 育完善，从而提高颗粒性能。m p c v d 法已经成功地被用在电镀之后的金刚石颗粒与胎体金 属之间出现的空隙修复。在s e m 下观察用平均尺寸为1 6 1 1m 金刚石颗粒制备的电镀金刚石 工具的表面形貌，会发现有棱角和表面不规则缺陷，在金刚石颗粒与胎体金属之间有凹面和 空隙。把该工具放进m p c v d 系统中沉积，金刚石颗粒平均尺寸增长为2 51 1m ，通过s e m 观察金刚石颗粒与胎体金属之间的间隙得到弥补并且金刚石颗粒表面呈现出规则和饱满。采 用这种方法对电镀金刚石工具进行修复，比朱修复电镀金刚石工具具有更高切削力、耐磨性 和颗粒结合力。在m p c v d 过程中的高温下，金刚石与胎体间会形成碳金属化学键，使金 刚石颗粒与胎体金属之间产生强力结合【1 1 1 。 ( 4 ) 化学镀而后热处理法 利用上述提及的化学镀方法在金刚碓i 表面镀覆上一层易丁二与碳形成化学键合的金属，然 后将镀覆金刚年i 置于真空炉中进行热处理，使金刚石表面生成需要的碳化物，从而可容易被 一般金属所浸润。通过金刚石锯片刀头的抗弯强度试验证明，化学镀之后热处理得到的金刚 石比普通金刚石的抗弯强度高，从7 5m p a 提高到9 5m p a ，提高幅度大于2 0 ，金刚石本 身的微孔隙和裂纹也可得到填补，其抗压强度提高3 0 以上。 1 2 3 优化金刚石工具的表面形貌 金刚石工具主要形貌缺陷除了金刚彳i 颗粒与胎体之间的沟槽外，主要是结瘤问题。 6 河南农业人学硕上论文正文 1 2 3 1 结瘤的形成原因探讨 在制备金刚石工具时，一般情况下都会有镍瘤的出现。结瘤一般都会分为三种：第一 种是在金刚石颗粒缝隙之间长出的瘤；第二种是覆盖在金刚石表面的瘤块；第三种是生长在 没有金刚石的沉积层上的瘤，这种情况比较少见。镍瘤的出现会使金刚石的尖端在切削时无 法露出，无法正常切屑，因此所需的切屑力也就相应的变大，这就表现为切削沉重。镍瘤还 会影响金刚石工具的加工精度，因此人们一直都在努力寻找减少镍瘤和消除镍瘤的各种办 法。 有关第一种和第二种结瘤的原因，文章m 1 认为电沉积金刚石工具结瘤与金刚石带磁性 有关。目前，制备金刚石的触媒中主要的元素是镍，因此人造金刚石中不可避免地会含有磁 性金属镍，因此人造金刚石都或多或少的带有磁性。 a n o d e c g t h o d e 图1 1 金属离子在金刚石磁性作用下的移动方向 a n o d e 图1 2 结瘤形成与长大示意图 如图1 1 ，在电场力作用下，金属阳离子以垂直阴极的方向移动进入金刚彳i 颗粒的磁场， 形成了带电粒子切割磁场的情况，根据右手定则，这种情况必然产生一个垂直纸面方向向内 或向外的力，这个力迫使金属离子绕着金刚石四周正时针或逆时针旋转。而金属离子的这种 旋转再次切割了磁力线，根据右手定则，金属离子在金刚石顶部会受到个远离金刚石方向 的力，当金属离子到达金刚石底部时，金属离子切割磁力线的方向发生了变化，金属离子受 到的力正好与金刚石顶部相反，因此金属离子又被迫使向靠近金刚石的方向移动。 由于受上述的金刚石磁性的影响，必然导致金属离子定向沉积，有些区域就优先沉积 7 河南农业大学硕士论文正文 金属而高于其他部位形成了小瘤。如图1 2 在电沉积过程中，这些小瘤的出现必然导致金属 离子更容易沉积在这些部位，而其它部位会由于金属离子难以扩散至较狭窄部位而生长缓 慢，这进一步加速了镍瘤的长大，形成了第一种镍瘤。 另外如图1 2 中当沉积离子越过c 点即金刚石颗粒中部区域向沉积层运动的过程中受到 金刚石颗粒引力l 4 ，在此力作用下一部分离子会趋近金刚石颗粒沉积，甚至附着于金刚石 颗粒表面，进而出现金属离子的团聚现象，后来的金属离子优先沉积于团聚表面，进一步长 大而形成结瘤，这种结瘤往往可以长大到越过金刚石颗粒中部区域共至产生对金刚石颗粒的 包敷现象，这就是第二种结瘤的产生原因。对于第二种镍瘤形成的原因，文章【2 5 1 【2 6 l 认为金 属可以在金刚石上面沉积出镍瘤是由于金刚石表面残留的金属导电物质所致。但文章则 认为，是由于第一种镍瘤跃大后蔓延到金刚石顶上的。 对于第三种结瘤情况一般出现的较少，与另外两种瘤比较一般也较小，因此影响不大。 造成第三种结瘤的主要原因是电流密度过大。当电流密度已经达到该电沉积工艺的极限时， 容易产生镍瘤。一般通过降低电流密度的方法来解决这个问题。 另外由于金刚石的形状特点，电沉积时实际沉积面积随着沉积层的增高而变化。在沉 积层的高度达到金刚石最大直径的地方时，也是实际沉积面积最小的时候，而沉积电流没有 改变，这也就意味着电流密度会远远大于制备工具计算得到的值。由经验可知，电流密度过 大时往往在普通沉积层上就会有瘤形成，因此在沉积层高度接近金刚石最大直径时，也容易 产生镍瘤。 1 2 3 1 结瘤的减弱与消除 根据以上分析，结瘤主要是由于磁场引起的定向沉积及过人的电流密度引起的，由于 电流分布不均匀而长大的，所以可以采取以下措施解决这个问题。 第一，采用无电的沉积方法。例如，用化学镀的方法制备胎体材料，由于没有带电粒 子的移动，所以就避免了因磁场引起的定向沉积，避免了结瘤。但是化学镀也有自身的缺陷， 化学镀的镀液本身很不稳定，很容易自分解，在生产中这种方法较难实现。 第二，采用超声波或交变磁场扰乱原有离子的移动方向，使离子的移动变为完全无序 的状态。在这种状态下不仅仅可以减少镍瘤，而且可以帮助细化品粒。 第三，用强酸清洗金刚石，溶解掉金刚石中镍、钴、铁等磁性杂质，使金刚石磁性减 弱。 本试验采用了外加磁场的方法。尤其采用外加交变磁场的方法，以其能达到消除结瘤的 问题。我们知道磁体在交变磁场下，会磁性减弱或消除。所以本实验试图用外加交变磁场的 方法来减弱或消除金刚石颗粒磁性对沉积离子沉积状态的影响。 1 3 外加磁场的引入对镀层性能影响的研究现状 现在国内外对电镀金刚石丁具制备中利用磁场的引入来提高其综合性能的研究尚没有 8 t o j 南农业人学硕士论文 正文 出现，外加磁场的引入局限在对电镀或化学镀镀层的性能的影响上，且研究多集中在对镀层 织构和电镀或化学镀过程的影响上，目前对于镀层的性能如硬度、耐磨性等的测试方面的文 献鲜有所闻。这说明电沉积过程中磁场的引入还停留在理论和基础研究方面，在工业产品尤 其是金刚石工具方面的应用上还无人涉足。一般金属电沉积过程分为传质、表面转化、电化 学步骤、新相生成等几个环节，外加磁场的施加正是由于洛伦兹力的产生，而对电镀过程产 生了显著影响( 其中洛伦兹力对电镀过程中离子流作用而产生的对镀液的搅拌称为磁流体力 学( 删d ) 效应【2 7 1 ) 。 1 3 1 国内研究现状 高诚辉等人陋】的研究表明，施加磁场能提高镀液电导率( 主要是由于水是极性分子， 在磁场作用下能产生一定的定向作用，有利于电导率的增大) 及低电流密度下的电流效率， 还能改善镀液的分散能力和整平性能。黄琦晟等人【驯通过比较有无磁场下铜电沉积层的表 面形态和织构，得出在无磁场下，表面品粒随电流密度增大而增大，同时伴随氢气析出而导 致气孔出现，施加1 0 t 磁场后，表面晶粒随电流密度增加呈分裂细化趋势，同时氢气的析出 被抑制。温艳玲等人【2 9 】在电沉积镍铁合金膜过程中施加了不同程度的纵向强磁场，结果表 明镀层表面晶粒随着磁感应强度的增加先粗化，然后细化为数百纳米的颗粒层，在1 2 t 强磁 场下条状品沿外磁场方向破碎为球状微品组织，强磁场使样品( 1 1 1 ) 品面择优取向，并进 一步促进了f e 2 + 的优先沉积( 由于洛伦兹力的影响，原子量相对镍小而电荷与之相同的f e 2 + 优先沉积) 。 国内一些学者也注意到了外加磁场对水和溶液的影响：如水在磁场作用下氢氧之间结合 距离变长，从而使水的一些物理性质发生变化，如表面张力降低，浸润性提耐3 0 1 ；磁场能 改变水溶液中离子的水合状态，使水溶液内部结构发生更大程度的变化【3 1 1 ；另外磁场对水 溶液中的溶解、结晶、凝聚过程也都有影响【3 2 l ，多数电镀液都是水溶液体系，所以磁场对 其影响必然显著。 1 3 2 国外研究现状 国外已有不少金属及其合金的电沉积实验中引入了磁场，并通过各种表面表征手段对其 沉积层的结构及表面形貌做了深入研究b 3 吨1 ，如a c h i b a 等人在表面镀锌中引入磁场后得到 了更加平整光滑的镀层。v g a n e s h 等人在镍沉积中对阴极表面施加4 5 。角的磁场，得剑了 较好的品体结构，一般品粒尺寸在1 7 、2 5 n m ，实验表明磁场的引入增大了电镀过程中传质速 率，降低了极化程度，最终细化了晶粒。n d n i k o l i c 等人在做了n i 镀层( 外加磁场) 和 c u 镀层的比较研究之后，得出电镀过程中的确存在洛伦兹力引起的流体力学效应( m i l d ) ，并 且指出沉积层的结构很大程度上取决于沉积金属的磁性性能( 本实验中n i 受磁场影响大， 镀层织构细致，而c u 不被磁化因而外加磁场对其影响较小) 。但是这也不是说c u 在磁场中 不受其影响，有文献中考察了在定条件下使铜在圆形阴极上生长的情况，对比有无磁场时 9 坷南农n 大学硕j ：论文m 文 的沉积物形貌发现，施加磁场后沉积物的生长受到显著影响。呈螺旋状生长。所以我们可以 知道磁场几乎对所有金属及其台金的沉积都有不同程度的影响。 关于磁场使晶粒细化有些学者给出了另外一些解释。如d e v o s0 等人在镍镀液中加入 了抑制晶粒生长的抑制剂，施加磁场届发现当磁场强度大于n6 t 时镀层表面变得很光精。 旆加磁场后平均粒度明显下降分析认为磁场所引起的流体力学效应( 哪d ) 强化了抑制剂的 作用，从而使平均粒径f 降。但是有时磁场也会造成表面恶化。恶化表面的租糙度与磁场强 度密切相差。这种影响被认为可能与施加磁场后扩散控制的金属腐蚀过程加强有关。 1 4 选题的目的和意义 田l3 ( - ) 存在严t 寰面缺陷的童雕石工 衰面彩蓑( 时辘为理薄的盒瑚石工 囊面形藕 电镀金刚石工具是以复台镀层作为工作层的一种超硬材料工具，具有硬度高、耐磨性好 等优点，在现实生活中有广泛应用，其领域不但涉厦到工业的各行各业，而且还扩展到医疗 事业和 们的日常生活中。电镀金刚石工具与其他制造金刚石工具的方法相比有无可替代的 优越性，可以满足对各种复杂形状的工具的 9 备，生产流程简单，成本低。 电镀金刚石工具结构组成主要是电镀层和植入电镀层被镀层机械包镶的金刚石颗粒，工 具的使j j 寿命主要决定于镀层的硬度、耐磨性、延展性等性能和使用过程中金刚石脱落情况， 所以延长电镀金刚石工县使用寿命的研究重点就落在两个方面上：( 1 ) 镀层的性能改进( 2 ) 镀层与金刚石颗粒的机槭镶嵌力的提高。其实电镀金刚“。 具的缺点也正是因这两个原因而 起如镀层的性能不能同时满足 二具对硬度，耐磨性、延展性等的要求，镀层与金剐石颗粒 2 问简单的机触镶嵌力容易造成金刚j i 颗粒在位用过程中脱落另外在研究过程中还发现镀 层与金刚石颗粒之间不同程度的存在沟槽和l ：具表面电镀过程中生成的结瘤荨现象( 如图 l _ 3 ( a ) ) ，严重影响着工具的耐磨性和使用寿命( 金剐彳il 具比较理想的表面形貌如图i3 ( b ) ) 。研究表明金刚石：l 具在制备中出现的这些缺陷，除了电镀本身的特点决定外，也与 金刚石颗粒的性质有着根太关系。通过实验推测11 业h j 金刚石颗粒由于在出厂2 前经过 磁选的原囡所以不同程度的都被破化，所以在金刚石颗粒埋入镀层中，对镀层的金属颗粒 沉积产生了较人影响，进而工具出现沟槽和结癌等缺陷e 镀层性能的改进方砸现在国内外主耍有虬r 儿种方法：( 1 ) 使用新型的台金镀层，如李 河南农业人学硕十论文正文 云东老师研制的n i - c o - m n 镀层配方引，以及镀层合金中稀土元素的加入n 钔等。( 2 ) 使用新 型的复合镀层n 圳。( 3 ) 纳米镀层的制备与应用旧1 。但是以上现行的对镀层的改进方法也很难 平衡工具对硬度、耐磨性等性能的需要，现在又有新型的工艺改进方法来提高镀层的性能， 如在稳恒磁场中制备n i - w 合金镀膜h 1 。研究发现与不加磁场相比，施加磁场后镀层的表 面更均匀、细致、平整，镀层的含钨量上升，镀层的非品化程度增强( 非晶化高其耐磨性高) ， 镀层的耐腐蚀性提高。电镀过程中磁场的引入开始成为新近研究的热点，其做为一种物理手 段来提高镀层性能的优点开始显现出无比的优越性。 对于镀层与金刚石颗粒的机械镶嵌力的提高方面( 其实质在于如何提高金刚石颗粒与镀 层之间有效的包裹面积及在颗粒与镀层之间添加化学键核) ，国内外主要有以下几种方法： ( 1 ) 表面形成分散的金属质点h 刨来提高金刚石颗粒与镀层之间的结合力。( 2 ) 通过表面粗 化嘞1 和盐浴晦等方法来避免工具制备过程中金刚石颗粒与镀层之间沟槽的出现。( 3 ) c v o ( 化 学气相沉积法) 来修复制备后的金刚石工具的镀层表面形貌和弥补制备过程中出现的金刚石 颗粒与镀层之间的沟槽幅2 删。( 4 ) 其他用来改善沉积过程的物理方法，如电镀过程中伴随超 声波震荡i 蜀s - 5 8 1 等。虽然上述方法在提高机械镶嵌力方面有较为显著的效果，但是在处理颗粒 与镀层之间的沟槽问题上，仍不是很理想。化学气相沉积法虽然可以较好弥补沟槽，但是过 程复杂，工具制备的成本较高，周期较长，不适合现代化高效的流水化作业。我们通过电镀 过程中磁场的引入对镀层性能影响的启发，制备金刚石工具的过程中添加了交变磁场，多次 实验表明沟槽得到了很好的填补，另