（机械制造及其自动化专业论文）超声波电镀金刚石工具的试验研究.pdf

中文摘要 本文将超声波引入电镀金刚石工具的制造过程，目的在于达到电镀金刚石工 具的快速、优质生产。为了进一步提高电镀金刚石工具性能及其与基体结合强度， 进而使金刚石工具的加工效率和使用寿命达到最佳的状态，本文以镍镀液配方为 基础，进行了应用不同超声波功率的电镀试验研究。研究了超声波对镍镀液性能、 镀层性能的影响规律。分别制备镍镀层表面及截面试样，用显微硬度计观察表面 断面组织并测定硬度；采用热震和锉刀试验方法测量镀层与基体的结合强度；通 过电化学直流极化测试系统测得镀液的阴极极化曲线；在台式钻床上进行加工试 验，计算金刚石工具的磨削比。 超声波作用下的镀层硬度高于无超声时的镀层硬度。但超声波功率不同，镀 层硬度亦不同，超声波功率为2 0 0w 时，镀层硬度达到最大值5 0 1h v 。导致超声 波作用下镀层硬度提高的主要影响因素包括：晶粒尺寸细小、加工硬化、压应力 和高的位错密度。超声波功率为2 0 0w 时，镀层与基体的结合能力最大。超声条 件得到的镀层耐蚀性能增大且随超声波功率增大而增强。镀层内应力随超声波功 率增加而减小。超声作用减弱阴极极化程度。在制备工具的上砂前超声振动3 m i n ，工具上金刚石磨粒分布均匀致密。在本试验条件下，在加厚阶段后3 0m i n 加入1 0 0w 的超声功率，得到的金刚石工具的耐磨性增大。研究结果表明，电镀 中应用超声波可以有效减小镍镀液的阴极极化程度。提高镍镀层的硬度，增强镀 层的耐腐蚀能力，提高镀层与基体的结合强度。在制备工具的加厚过程，应用超 声波可以提高工具的耐磨性，但是超声波功率不宜大，应用的时间不宜过早。采 用试验中确定的工具制备工艺参数可以获得性能优良的电镀金刚石工具。 关键词：电镀金刚石工具超声波镀层金刚石加工 a b s t r a c t u l t r a s o n i cw a v ew a sa p p l i e dt ot h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e so fe l e c t r o p l a t e dd i a m o n d t o o l st oo b t a i nh i g hq u a l i t yp r o d u c t s t h ea i mo ft h i ss t u d yi st oi m p r o v et h ed i a m o n d t o o lp e r f o r m a n c e ，t h eb o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e ns u b s t r a t ea n dp l a t i n g ，t h em a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n dt o o ll i f e t h ee f f e c to fu l t r a s o n i cp o w e ro nn i c k e le l e c t r o d e p o s i t sw a s s t u d i e di nat y p i c a ln i c k e le l e c t r o p l a t i n gs o l u t i o n i n f l u e n c e so fu l t r a s o n i cw a v eo n s o l u t i o na n dn i c k e lp l a t i n gp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y s e d n i c k e lp l a t i n gs u r f a c e sa n d s e c t i o ns p e c i m e n sw e r ep r e p a r e ds e p a r a t e l y t h es u r f a c e sa n dc r o s ss e c t i o nw e r e o b s e r v e da n dm i c r o s c o p eh a r d n e s sw e r em e a s u r e d b o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e n e l e c t r o d e p o s i t i n gl a y e ra n dt h et o o ls u b s t r a t ew e r em e a s u r e dw i t ht h e r m a ls h o c k t e s t a n df i l es c r a t c ht e s t c a t h o d ep o l a r i z a t i o nc u r v e sw e r et e s t e dw i t he l e c t r o c h e m i s t r y d i r e c tc u r r e n tp o l a r i z a t i o nt e s t s y s t e m g r i n d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do n d r i l l e rt oo b t a i nt h eg r i n d i n gr a t i oo fd i a m o n dt o o l s t h eh a r d n e s so fn i c k e ll a y e rw i t hu l t r a s o n i cw a v ei sb i g g e rt h a nt h a to fw i t h o u t u l t r a s o n i cw a v e t h eh a r d n e s so fn i c k e ll a y e rv a r i e sw i t hu l t r a s o n i cp o w e r t h en i c k e l l a y e rh a r d n e s s5 01h vw a sm e a s u r e dw h e nu l t r a s o n i cp o w e rw a s 2 0 0w ：t h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r so fn i c k e ld e p o s i t i o nh a r d n e s si n c l u d ef i n eg r a i ns i z e ，m a c h i n i n g h a r d e n i n g ，c o m p r e s s i v es t r e s sa n dd i s l o c a t i o nd e n s i t y w h e nu l t r a s o n i cp o w e ri s 2 0 0 w b e t t e rb o n d i n gs t r e n g t hb e “”ne l e c t r o d e p o s i t i n gl a y e ra n dt h et o o ls u b s t r a t ei so b t a i n e d t h e c o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t yo fn i c k e ll a y e re n h a n c ew i t ht h ei n c r e a s i n go fu l t r a s o n i c p o w e r t h ei n t e r n a l s t r e s so fn i c e ll a y e rb e c o m es m a l l e rw i t ht h ei n c r e a s eo fu l t r a s o n i c p o w e r c a t h o d ep o l a r i z a t i o nt r e n dc a nb el e s s e n e dw i t hu l t r a s o n i cw a v e d i a m o n d t o o lw i t hd e n s e e v e n d i s t r i b u t e d 胂i i l 啪b ef a b r i c a t e dw h e nu l t r a s o n i cw a v ew a sa p p l y i n g3m i nb e f o r e t i c k - u po p e r a t i o n s i ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n , w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t yo fd i a m o n dt o o l c a n e n l a r g ew h e n10 0w u l t r a s o n i cp o w e ri sa p p l i e d3 0m i nd u r i n gl a s tt h i c k e n i n go p e r a t i o n s t h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tu l t r a s o n i cw a v ec a nl e s s e nc a t h o d ep o l a r i z a t i o nd e g r e e ，i n c r e a s et h e h a r d n e s so fn i c k e ll a y e r , e n h a n c et h ec o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t y , a n di n c r e a s et h e b o n d i n gs t r e n g t hb e t w e e ne l e c t r o d e p o s i t e dl a y e ra n ds u b s t r a t e d i a m o n dt o o l sw i t hw e a r - r e s i s t i n g p r o p e r t yw a se n h a n c e dd u r i n gt h i c k e n i n go p e r a t i o n s h o w e v e r , h i g h e ru l t r a s o n i cp o w e ra n d e a r l y - a p p l y i n gt i m ei sn o tr e c o m m e n d e d d i a m o n dt o o lw i t hg o o dp e r f o r m a n c ew a sf a b r i c a t e d w i t he x p e r i m e n tp a r a m e t e r si nt h i ss t u d y k e y w o r d s ：e l e c t r o p l a t i n g ，d i a m o n dt o o l s ，u l t r a s o n i cw a v e ，p l a t i n g ，d i a m o n d ， m a c h i n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王秀乞 签字日期：扫刀年月胗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王秀羔 导师签名： 签字日期： 加0 7 年 ，月侈日 豸象勿 签字日期：2 7 年月矽日 第一章概述 1 1 超声波电镀 1 超声波电镀的发展 第一章概述 超声波是指振动频率较高的物体在介质中所产生的弹性波，其频率范围为2 0 k h z - 1 0m h z 。超声技术基于超声波原理，它应用于化学、化工领域形成了声化 学，早在2 0 世纪2 0 年代，美国的r i c h a r d 等首先研究了超声波对各种液体、固体 和溶液的作用，发现超声波可以加速化学反应。在2 0 世纪3 0 年代后期就有超声镀 铜的报道。到了2 0 世纪8 0 年代中期，随着超声功率设备的普及和发展，为超声波 在化学、化工过程中的应用提供了重要的条件。1 9 8 6 年4 月在英国召开了首次国 际超声化学会议。此后，欧美等国家相继召开了多次声化学研讨会，对声化学的 机理和应用作了较为详细的学术研究，并发表了一批有价值的学术论文和专著 【l 】 o 如何尽快把声化学的研究成果从实验室转化到工业生产中，已成为世界各国 研究的热点，特别是美、法、英、日、俄等国在有关超声波在电镀和电化学合成 中的应用研究方面已经做了大量的工作，在工业化方面已取得了一些进展。特别 是超声波在电镀中的应用技术，在国外已经广泛应用于工业生产，并获得了很好 的效果。而国内在这方面的研究起步较晚，大量的研究报道见于2 0 世纪9 0 年代 以后。在电镀中之所以能够利用超声波进行处理、改善其工艺条件、提高产品质 量，究其原因主要有以下几点： ( 1 ) 超声波能够在电极表面发生脱气作用，使氢气泡不能在电极表面滞留、 生长，因而降低镀层夹杂氢气泡的倾向； ( 2 ) 超声波的作用可以扰乱扩散层， ( 3 ) 超声波还能不断清洁电极表面， 改变了界面离子浓度分布和传质过程； 从而起到活化电极表面的作用。 第一章概述 2 超声波电镀的特点 现代物理增强电镀是高新技术与传统电镀技术的结合，使电镀技术向优质、 洁净、高效、快速的方向发展。超声波电镀就是现代物理增强电镀的方法之一。 超声波电镀有如下特点【2 】： ( 1 ) 对电极反应进程进行强化，以提高沉积速率和电镀效率，提高生产率。 ( 2 ) 以新的能量方式活化电极析出过程，达到提高极限电流密度等效果， 促使结晶细化，镀层性能改善。 ( 3 ) 降低镀层内应力，获得优质镀层。 3 超声波电镀的应用 总体来看，国外超声波在电镀中的应用集中在以下几方面： ( 1 ) 基体镀前经超声电解除油后，基体与镀层的附着力增划3 1 。 ( 2 ) d i n i e 4 等人研究镀液在低温( 2 7o c ) 下获得较高的镍镀层内应力。 ( 3 ) p r a s a d t 5 】等人对瓦特镀镍作了大量的研究工作，通过对比发现：采用 超声波可以有效地解决镀镍析氢问题，而且可以扩大电流密度范围，提高电流效 率，在较高的电流下，镀层依然光亮；由于浓差极化的降低，使得沉积速度和镀 层质量得到了提高。超声波条件下电镀，由于空化作用，气泡有产生、长大、破 灭这一过程且随声波往复变化，致使镀层表面发生工作硬化，镀层的硬度和抗磨 能力较高。因此，利用超声波可有效地节约能源和时间。在实际生产中超声波已 得到应用。 ( 4 ) 超声波条件下电镀，镍镀层有较低的内应力，金属在阴极的沉积速率 增大【6 】o ( 5 ) 在电镀中应用超声波，镍镀层的抗疲劳强度很高，这是由于此条件下， 镍镀层硬度高且镀层粗糙度较小1 7 j 。 ( 6 ) v a s u d e v a n 8 】等人研究室温条件下超声电镀镍和铜，所用超声频率和功 率分别为2 2k h z 、5 0 0w ，研究结果表明，阴极电流效率随电流密度的增大而缓 慢下降。在同样条件下，超声波电镀可以减少电镀时间。但是，当超声波功率过 高时，却不能得到满意的镀层。 ( 7 ) 电镀中应用超声波，可增强镀层的强度，但对镀层的塑性无影响。在 镍一钴合金镀中，镀层中钴的含量随超声功率的增加而减少，而镍一铁合金镀中， 镀层中铁的含量不随超声波的功率而变化【9 1 。 ( 8 ) w u 等研究了在超声波作用下采用不同的电流密度时的镀铜过程，实验 结果表明：在电镀时，由于超声波的空化作用和微搅拌作用大大促进了成核作用 第一章概述 和核成长过程【l o j 。 ( 9 ) 将超声装置用于镀锌，同样可以使沉积速度、电流效率、硬度等增加； 电极过程动力学研究证实：超声波降低了极化，增大了双电层电容，降低了分散 层厚度，从而提高了沉积速度和电流效率；另外，由于气泡崩溃产生了强大的冲 击压力，这对表面细致晶粒的形成起了重要作用。镀锌常用于钢铁产品的防腐， 因而除了要有一定的微观硬度外，其耐腐蚀性能则是人们所关心的首要问题。 p m s a d 利用酸性氯化物镀液在低碳钢上的镀锌结果表明：超声波除了可以提高镀 层的硬度外，还可以显著增强其抗腐蚀性能。这是由于超声振动减少了镀层的多 孔性，改变了镀层表面形态的缘故1 1 1 | 。 ( 1 0 ) 超声应用于合金电镀，在单金属电镀上，除了上述之外，已有专利和 文献报道的有镀a u 、a g 、f e 和s n 等；随着材料工业的发展，对电镀产品的要求 愈来愈高，将超声波用于合金电镀也是电镀工业发展的需要。s e r y a n o v 对应用 于集成电路板上的s n b i 合金电镀进行了研究，确定了最佳操作条件、超声功率 与频率范围等，除上述s n b i 合金外，仅见有c o 合金、a l m n 合金等报道i l 。 国内超声波在电镀中的应用：( 1 ) 超声波对锡铋合金电镀层的影响【1 2 1 。陈华 茂对比超声波功率分别为0w 和4 8w 时的镀层照片，无超声作用的试件表面沉积 的颗粒较大且表面粗糙不均匀；而经过超声波作用的沉积层结晶更细致、均匀、 无针孔和气泡【1 3 】。( 2 ) 超声波在电镀铁基粉末冶金件中的应用。我国研究人员也 发现经过超声波清洗的镀件基体与镍层结合力明显提副1 4 】。利用超声波电镀铁基 粉末冶金件，可以提高单层镀镍层的防护性能和品质。( 3 ) 将超声振荡加在阴 极上，镀铬时用低碳钢作阴极，在其上加2 0k h z 的超声振荡，镀件硬度可提高1 0 ，镀层晶粒变细而光亮，得到上述效果的主要原因是空化作用使固体电极表面 得到连续的清洗和激活，驱除聚集在电极上的气泡，加速扩散和使离子更好地传 输【1 5 】。( 4 ) 超声电镀锡铈合金工艺研究。超声波的介入改善和优化了电镀操作 条件，拓宽了电流密度范围和温度范围。采用超声波所得的锡铈合金镀层表面致 密均匀，结晶细致，呈银白色镜面光亮，抗氧化性、耐蚀性和可焊性增强。超声 作用下的镀液性能得到改善，深镀能力达1 0 0 。阴极电流效率和沉积速度均得 到提高【1 6 】。( 5 ) 超声电镀镍可以获得光亮镀镍层。王秦生【1 7 】采用如下的电镀工 艺规范，电解液组成为( g l ) ：硫酸镍2 5 0 ，硼酸3 0 ，氯化钠1 0 ，氟化钠4 ；p h 值 为5 2 5 6 ，t = 4 0 一5 0o c ，d k = 3 0a d m 2 ；超声频率f = 2 2 - 7 6k h z ，声强为0 9 】0w c m 2 。 4 超声波电镀的机理 超声波在液体介质中的巨大能量使介质质点获得很大的加速度，还能引起 第一章概述 空化作用。一般认为超声波电镀的机理就是超声空化作用。超声空化是指在声波 作用下，存在于液体中的微小气泡( 空穴) 所发生的一系列动力学过程：振荡、扩 大、收缩乃至崩溃。超声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程。空化气泡 的寿命约几个微秒，它在爆炸时可释放出巨大的能量，并产生速度约为1 1 0m s ， 具有强烈冲击力的微射流，空化气泡在爆炸的瞬间产生约4 0 0 0k 和l0 0m p a 的局 部高温高压环境，冷却速度可达1 0 9 k s 。超声波的空化作用和传统搅拌技术相比 更容易实现介质均匀混合，消除局部浓度不均匀，提高反应速度，刺激新相的形 成【1 引。 超声波之所以能够加速电沉积过程，主要是由于它能够大大提高电镀液中金 属离子的有效浓度，即阴极附近扩散层中放电金属离子的浓度。超声波振动和空 化现象可以视为异乎寻常的极其强烈的搅拌作用。空化现象产生的强烈冲击波作 用于电极附近的扩散层，产生异常强烈的搅拌作用。这样，紧靠电极表面的液层 中的放电金属离子浓度剧增，而电沉积速率正是取决于电极表面的离子浓度。因 此，超声波能够极大程度地加速电沉积过程。使用超声波能在普通镀镍溶液中获 得光亮镀镍层，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。在这种情况下， 高分散状态的细溶胶可以起到类似于光亮剂的作用。同时，超声波电镀还有减少 镀层孔隙的作用，其原因是由于空化现象引起强烈的乳化作用，致使氢气泡很难 在电极表面上停留和长大i l7 。 5 超声波在电镀中的作用 超声波作为疏密相间的一种纵波，通过液体介质向四周传播。当超声波能 量足够高时，就会产生超声空化现象。液体中的微气泡在声场作用下振动，在超 声波纵向传播形成的负压区产生、生长，而在正压区又迅速崩溃闭合。在崩溃点 处产生一个寿命极短的局部热点，其温度高，温度变化率大，压力高，寿命仅为 几个微秒，并伴随产生上百个兆帕的强大冲击波和高速的微射流，其能量效应和 机械效应引发了特殊的物理和化学效果。 超声波用于电镀，其主要作用包括： ( 1 ) 清洗作用；强大冲击波能渗透到不同电极介质表面和空隙里使电极表面 彻底清洗。 ( 2 ) 析氢作用；电镀中常伴有氢气的产生，夹在镀层中的氢使镀层性能降低， 而逸出的氢容易引起花斑和条纹，而超声空化作用使氢进入空化泡或作为空化 核。加快了氢气的析出。 第一章概述 ( 3 ) 搅拌作用；超声空化所产生的高速微射流强化了溶液的搅拌作用，加强 了离子的移动能力，减小了分散层厚度和浓度梯度。降低了阴极极化作用，加快 了电极过程，优化了电镀操作条件1 1 1 。 1 2 超声波电镀金刚石工具 1 2 1 电镀金刚石工具现状 金刚石材料具有高硬度、高抗压强度、高耐磨性以及优异的导热性和电绝 缘性，己广泛应用于工具、磨具领域，如金刚石锯片、金刚石砂轮、金刚石磨头 等。金刚石工具、磨具通常采用将人造金刚石颗粒与金属、陶瓷、树脂等结合剂 镶嵌在一起的方式来实现对工件的加工，但由于金刚石与大部分金属、陶瓷甚至 树脂均具有较高的界面能，使金刚石与胎体的结合力较差，容易造成金刚石早期 脱落。据统计，在金刚石工具的使用过程中，只有约1 0 的金刚石真正发挥了切 削作用。因此，改善金刚石与镀层的结合强度是提高金刚石工具加工效率和使用 寿命的关键因素1 1 9 】。 电镀金刚石钻头是利用电镀原理，使沉积金属( 合金) 将金刚石颗粒包镶在 钻头基体上，从而形成牢固耐磨的工作层，其优越性表现在：( 1 ) 在低温下进行 整个钻头制作过程，对金刚石无热损伤作用，保持金刚石的原始强度，有利于充 分发挥人造金刚石特性；( 2 ) 通过调节镀液成分和控制制造工艺，改变沉积金属 层( 胎体) 组分，调整钻头的工作性能，有利于提高钻头的适应性和综合性能。 由于电镀法的这些特点，所以探讨电镀金刚石钻头的电镀机理及电镀工艺引起 人们的更多兴趣和重视1 2 0 j 。 金刚石钻头性能在很大程度上取决于包镶金刚石的镀层性能，因而电镀金刚 石钻头主要研究镀层金属，因为镀层金属的性能决定了金刚石钻头的工作效率。 电镀金刚石钻头镀层金属的作用一方面是固定并机械包嵌( 还有离子间的结合) 金刚石；另一方面是使钻头上的金刚石能适时适量地出露或自锐。电镀的目的就 是通过镀层金属晶粒细化、组织致密以及镀层金属中渗入异类金属原子造成各种 形式的晶格畸变等合金化的途径来强化镀层金属，这些都会使镀层金属晶粒位错 移动阻力增大，导致金属材料变形抗力的提高，即强度提高。镀层金属的强度愈 高，耐磨性就愈好，但绝不能认为其强度愈高愈好。另外，镀层硬度过高，会使 钻进中镀层不消耗或消耗甚微，以致不能维持金刚石正常出露或自锐：还会发生 脆性增加、镀层脆断、崩落和掉块等现象。因此镀层金属还必须具有良好的韧性。 可见，电镀金刚石钻头的镀层金属既要有适当高的强度，又要有良好的韧性。根 第一章概述 据金属学原理及实验测试数据，认为镀层金属选用金属镍( n i ) 效果最好。电解镍 有较高的强度( 1 1 0 0m p a ) ，熔点较高( 1 4 5 7o c ) ，以及良好的高温稳定性能f 2 l 】。 电镀中随着镀液温度的升高，镀层中金刚石含量下降，但耐磨性却在4 5o c 时达到最大值。其原因是温度升高不利于阴极对金刚石微粒吸引，不利于金刚石 在阴极表面停留，影响金刚石微粒的共沉积。耐磨性取决于金刚石在镀层中均匀 分散能力和镍对金刚石包裹好坏，温度在4 5o c 时镍对金刚石包裹最好，均匀分散 性也较好【2 2 1 。阴极电流密度太小，镍沉积少，沉积的金刚石也少：随着阴极电流密 度增加，镍沉积速度增加，从而增加了复合镀层中金刚石沉积量。当阴极电流密 度太大，金刚石沉积量反而减小，这说明金刚石微粒达阴极表面并不是靠电场力 作用【2 3 1 。 自2 0 世纪7 0 年代以来，电镀金刚石钻头的方法引起国内外广泛关注。2 0 世纪9 0 年代，湖南省金刚石制品研究所李超群，采用复合电镀新工艺制造电镀 金刚石钻头并进行加工试验研究，取得较好的结果。复合电镀又称弥散电镀，即 将固体微粒均匀地分散在镀液中，使其与镀层金属共沉积从而获得镀层的一种方 法。采用混目金刚石的方法，可获得粗粒度金刚石出刃量大、排粉好和细粒度金 刚石抗压强度高、粒数多、在胎体中分布较均匀、耐磨性好等优点，这种方法能 把粗粒金刚石钻头的高钻速和细粒金刚石钻头高耐磨性特点有机地结合起来【2 4 1 。 金刚石铰刀是近2 0 年在我国出现的一种高精度内孔加工刀具，它利用复合电 镀工艺使金刚石颗粒均匀分布在合金钢刀体的表面，对工件的内孔进行切削。由 于金刚石的极高耐磨性，使这种刀具的寿命长，这在无人化管理的生产线上更能 体现出它的优越性。也正是由于金刚石极高的耐磨性，所以零件加工尺寸一致性 好，不但容易保证零件的加工质量，提高产品的总体性能，而且还使一些装配工 作由选配法转换成完全互换，使装配工作大大简化。目前，电镀金刚石铰刀有两 种制造工艺，一种是外镀工艺，一种是内镀工艺。外镀就是在合金钢刀杆上直接 利用复合电镀工艺，使金刚石颗粒通过镀层的包裹分布在刀杆的表面，并使其具 有切削能力。这种制造方法的优点是工艺简单，但表面金刚石颗粒排列的等高性 差，这是由于其工艺方法所决定的，所以加工精度和表面质量较低，经过修整虽 可使刀具的精度和颗粒等高性得到改善，但又会使金刚石颗粒受损，降低刀具的 寿命。内镀工艺正是针对外镀工艺的不足而提出来的，它的基本原理是：首先根 据刀具的外形制作胎具，胎具具有和刀具工作表面形状一致的内孔；利用复合电 镀工艺把金刚石颗粒镀在胎具内孔表面，然后把含有金刚石颗粒的镀层转移到刀 杆上；最后把胎具材料去掉，使金刚石颗粒暴露在刀具表面，最终形成铰刀。这 种工艺制作的铰刀形状精度高，金刚石颗粒排列受胎具内孔的约束，所以等高性 和均匀性都很好，并且无需修整，保持了金刚石颗粒的完整性和锋利性，所以加 第一章概述 工精度和表面质量较高。内镀工艺是要在胎具内孔实现金刚石颗粒的复合电镀， 采用埋砂法时，如果使用传统的电镀槽，存在镀液流动不畅、液相传质困难、电 镀所需时间较长等诸多问题【2 5 】。 1 2 2 超声波电镀金刚石工具现状 将超声波应用于电镀金刚石工具的制备过程中，其目的在于提高工作效率， 改善工具工作性能。在目前情况下，关于超声波电镀金刚石工具的相关报道甚少， 大部分文献仅局限于无超声波条件的电镀金刚石工具和超声波电镀镀层的论述。 1 3 本文研究的内容 从以上叙述中看出，超声波电镀镍应用研究较多，但是超声波电镀金刚石工 具的研究较少。本文的研究目的在于将超声波引入电镀金刚石工具的制造，以解 决当前电镀镍基金刚石工具生产周期长、质量不稳定、适用范围窄等问题，达到 电镀金刚石工具的快速、优质生产。因此，本文主要进行以下几个方面的研究工 作： ( 1 ) 超声波电镀金刚石工具制造工艺参数的优化试验，研究的工艺参数为超声 波功率； ( 2 ) 超声波对镀镍溶液性能的影响及其机理，主要研究镀液的阴极极化特性； ( 3 ) 超声波对镍镀层性能的影响及其机理，主要研究镀层的硬度、镀层与基体 的结合强度、耐磨性、显微组织等； ( 4 ) 超声波电镀金刚石工具的磨削试验，测试出不同工具的磨削比以考察金刚 石工具的性能。 第二章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 第二章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 2 1 试验方法 金刚石工具性能的优劣在很大程度上决定于包镶金刚石的镀层材料性能。镀 层金属的作用，一方面是固定并机械包镶金刚石，另一方面是使金刚石能适时适 量地出露或自锐。要保证这两点，镀层金属不仅要有较高的硬度、耐磨性，金刚 石磨粒在镀层各个部分要均匀分布，而且镀层金属与钢基体的结合力必须良好， 以免镀层脱落使工具寿命提前终结。由此可见，电镀金刚石工具效率和使用寿命， 不仅与金刚石的品级有关，而且与镀层金属有关。对于超声波电镀金刚石工具的 研究而言，试验方法是，首先研究镀层材料的电镀工艺( 包括镀液组成和电镀条 件) ，其次研究金刚石工具制备过程中，影响电镀金刚石工具镀层性能及工具加 工性能的工艺参数，如电镀中应用超声波的功率及超声波作用的时间等。 2 1 1 镀液组成 电镀金刚石工具一般采用硫酸盐镀镍液体系制造。镀液组分一般包括：硫酸 镍、硼酸、氯化镍及十二烷基硫酸钠等添加剂【2 6 j 。 硫酸镍是镀镍液中的主盐，提供不断消耗的镍离子。当镍离子含量低时，镀 层亮度不理想，镀液的整平作用差，覆盖能力也变差，镀层发雾和产生针孔，但 阴极极化较高，溶液的分散能力好，镀层结晶细致。镍浓度过低( 6 0g l 以下) 时， 镍层容易烧焦。硫酸镍含量高时，溶液中镍离子含量相对稳定，可使用较高的电 流密度，提高电流效率阿。通常硫酸镍的含量在2 5 0g l 左右。 氯化镍作为导电盐而存在。由于镍的特性，容易产生阳极钝化。有的文献认 为氯化镍不仅增加电导，而且能去阳极极化并改善阳极溶解，防止其钝化m 1 。镀 液中的氯离子通常是以氯化镍或氯化钠的形式加入的。氯化镍中氯离子和镍离子 都是镀镍液中有效成分，因而可以避免使用氯化钠时由于钠离子的积累而使镀层 晶格畸变，增加镀层的内应力和硬度，有利于减少镀层产生裂纹的倾向。溶液中 的氯化镍能帮助镍阳极的溶解，改善由于硫酸镍的导电性能差而导致镀镍液的分 散能力降低、槽端电压升高及电流密度降低。氯化镍的含量过低时镍阳极容易钝 化，使镀液中镍的含量降低，影响溶液的稳定，引起镍镀层发暗。较高的氯化镍 第二章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 含量可提高溶液的导电性和分散能力。但氯化镍含量过高，阳极溶解异常，泥渣 增多，进而使镍镀层容易产生毛刺，镀层粗糙，镀层内应力增加，也是镀层产生 脆裂的潜在因素1 2 引。 硼酸作为缓冲剂。硼酸是很弱的一元酸，镀液中电离出来的氢氧根离子很快 与硼酸电离出来的氢离子发生中和作用。由于析出氢气使p h 值升高的情况下， 硼酸的缓冲容量随p h 值升高而增大，所以能起有效的缓冲作用。硼酸在水溶液 中很稳定，在电镀工艺条件下，本身不发生电化学氧化或还原，对镍离子的还原 略有增加极化的作用，但影响不大，对析氢的极限电流却有明显的影响。这是因 为硼酸和氯离子都有吸附作用，加入硼酸后，硼酸只是部分代替吸附氯离子的位 置，饱和吸附时，吸附覆盖度保持不变，电极活性表面积不减，因此析氢极限电 流不变。硼酸在阴极上的吸附，抑制了硫酸盐溶液中氢的析出【2 9 1 。因此镀镍溶液 为硫酸盐溶液时，硼酸在镀液中除了有缓冲作用外，还通过吸附抑制氢的析出， 这两种作用都有效地减缓了阴极附近溶液p h 值的变化。 本章试验工具镀层制备时所用基础镀液配方，见表2 - 1 。试验所用试剂为分 析纯和化学纯，用去离子水配成电镀液。 表2 1 基础镀液成分 组成n i s 0 4 , 6 h 2 0n i c l - 6 h 2 0i - 1 3 8 0 3 添加剂 含量 2 5 0 3 53 5 适量 ( g l ) 2 1 2 镀层的制备工艺 在实际的电镀工艺中，总希望得到细晶、致密、均匀，而且与基体金属结合 牢固，以及具有一定的机械、电磁、光学等性能的沉积层。在电镀过程中，决定 电镀层结构的重要因素为：基体材料的本质和表面状态，电镀溶液的组成和电镀 工艺参数1 3 0 。对于电镀金刚石工具来说，通常要求镀层金属强度适中，耐磨性好， 脆性小，具有良好的韧性，经得起加工中不可避免的冲击和磨损。 1 电镀工艺参数 电镀层是在一定的条件下金属离子在阴极上还原析出的产物。因此，镀液的 组成和电镀条件( 如温度、p h 值、电流密度) 都将直接或间接影响金属离子的 放电和电结晶过程。在普通电镀中，因为零件的几何形状一般比较复杂，要使各 部分均匀地镀上一定厚度的镀层，就要求镀液有良好的深镀能力和分散能力；考 第二章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 虑到镀层的性能和能耗，镀液还应具备较高的电流效纠3 1 】。观察、检测、分析已 制取的镀层，找到最佳工艺参数后再应用于电镀金刚石工具制备，根据工具的具 体工作条件，对工艺参数加以适当调整，可以优化制备电镀金刚石工具的工艺条 件。 电镀液的p h 值对电沉积过程及镀层质量有较大影响。p h 值高的电镀液，其 分散能力好，电流效率高。但p h 过高，将促1 吏n i 2 + 形成碱式镍盐沉淀，若附着在 阴极表面，将使氢气泡容易在阴极表面滞留，使镀层产生针孔、结晶粗糙、发脆、 与基体结合不牢等现象。p h 值低的溶液，阳极溶解较好，泥渣也少，并能采用 较高的阴极电流密度，但阴极电流效率较低。本文试验采用的p h 值在4 1 4 4 范 围内。 镀液温度影响沉积速度和镀层内应力。镀液温度升高，会提高离子的运动速 度，提高了镀液的导电性( 其导电能力的大小取决于溶液中离子数量的多少和离 子运动速度的大小) 。再者，提高镀液温度，改变了氢和金属的析出电位，致使 镀层中的氢含量减少，所以能够降低镀层的内应力，改善镀层机械性能。但是， 镀液温度升高后，会促使形成粗大晶粒结构的沉积层。本文试验所采用的温度在 4 5 5 0o c 范围内。 电流密度对电极极化影响很大，而镀层的质量与电极的极化有密切关系，所 以电流密度对镀层质量有较大的影响。电流密度高时，紧靠阴极的金属离子沉积 加速，阴极附近的金属离子浓度则降低，致使新一轮金属沉积发生困难，因而晶 粒长大受到抑制，促使形成细小晶粒结构。但是电流密度高将使尖端放电效应加 剧，所以尽管沉积层晶粒细小，但表面不平，易形成结瘤。若过分地增大电流密 度还会使氢离子还原反应加速，从而使沉积层中氢含量增多，导致镀层发脆( 氢 脆) 和硬度过高【3 2 3 1 。 总之，镀液的p h 值、电流密度和温度均影响镀层性能，参考大量文献【2 2 ，捭3 6 1 后确定本试验镀液的p h 值为4 1 4 4 ，电流密度d k 为2a d m ，镀液温度t 为 4 5 5 0o c ，电镀时间为2h ，试验中超声波频率为4 0k h z ，超声波功率p = 0 - 2 5 0 w ( 可调节) 。研究不同超声波功率对镀层性能的影响。 2 镍阳极的选择与排布 镍阳极在电镀中的作用有三点：1 ) 作为电极，与阴极和电解液构成电解池， 组成电镀槽导电回路，起传导电流的作用。2 ) 通过正常溶解，产生金属离子， 以补充电镀过程中消耗的镍离子，保持镀液中镍离子浓度的平衡。3 ) 通过适当 的排布和制成适当的形状，促使电流在阴极表面上均匀分布。 本文试验选用纯度达9 9 9 的电解镍板做阳极，在使用前经砂轮磨去氧化部 第二章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 位，稀盐酸浸泡，以除去表面氧化膜，使它在电镀开始时就处于活化状态，并用 尼龙袋套装以阻止阳极泥进入镀液和吸附到阴极表面上去。金属阳极分为溶解性 及不溶解性阳极，溶解性阳极用于电镀上是为补充溶液中电镀所消耗的金属离 子，是用一种金属或合金铸成、滚成、或冲制成不同形状装入阳极袋内。阳极袋 是一种有多细孔薄膜袋子，用来收集阳极不溶解金属与杂质阳极泥，以防止污染 镀液，阻止粗糙镀层发生。阳极袋是用编织布缝成阳极形状宽大适中，长度要比 阳极稍长，材料需扎得紧，足够收集阳极泥，不妨碍镀液流通，将阳极袋包住阳 极并缚在阳极挂钩上。在放进电镀液之前，阳极袋要用含润湿剂的热水洗去其它 污物，然后再用水清洗，并浸泡与镀液相同p h 的水溶液中，使用前需再清洗。 酸性镀液的阳极袋可用棉织物，也可使用人造纤维。两个镍阳极板采用吊挂方式， 均布在镀槽中。金属阴极是镀液中的负电极，置于两个阳极之间。 3 基体的选择与镀前处理 基体是电镀中的阴极，金属镀层能否完整而又均匀地覆盖在基体表面，以及 能否与基体结合得牢固，都与基体的材质、几何形状、表面状况密切相关。电镀 金刚石工具镀层与基体的结合是否牢固是衡量工具质量好坏的一个重要指标。金 属工件表面的油污、氧化皮、锈斑都将使金属表面与电解液接触时形成中间夹层， 阻碍金属和电解液界面发生电化学反应，并造成金属表面局部甚至全部没有镀 层。因此，基体镀前处理总的目的是使表面平整，除去表面污物和不良组织，暴 露出基体金属内部的正常晶格结构，以便溶液中的金属离子在纯洁的处于活化状 态下的金属晶体表面上实现电沉积，从而获得镀层与基体之间的良好结合。本试 验采用钢质基体，尺寸为2 0m i l lx 1 2n l r n 1 4m m 。 4 基体的镀前处理工艺 用粗砂纸将试件表面的机加工划痕打磨平整，用细砂纸将待镀表面抛光。采 用绝缘胶布对基体上需要绝缘的部位进行包裹，在包裹过程中将导线引出，对于 不便于包裹的基体，采用绝缘漆进行涂覆绝缘。用温度为4 5 5 0o c 的m e 6 2 2 化 学除油清洗剂，超声波功率为2 0 0w ，超声清洗1 5m i n ，直到基体表面没有油污 和氧化膜为止。水冲洗后蒸馏水冲洗至中性。采用1 0 的稀盐酸进行弱浸蚀，水 冲洗后蒸馏水冲洗至中性。在电镀之前除去基体上极薄的一层氧化膜，暴露出基 体的金相组织，以便预镀金属离子n i 2 + 直接在其上沉积，从而实现镀层与基体之 间的牢固结合。基体经稀盐酸弱浸蚀后要迅速带电入槽，进行电镀【3 7 】。 2 1 3 镀层的制备装置 电镀的基本构成元素是外部电路，包含有直流电源、导线、可变电阻、电流 第一审超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 计、电压计、阴极、挂具、电镀液、阳极、镀槽。 本文试验采用的电镀基本装置如图2 1 所示，主要包括x d 7 1 2 型稳压稳 流直流电源，超声波发生器为k q - - 2 5 0 d b 型数控超声清洗器。镀槽采刚容积 1 0 0 0 m l 的烧杯。将镀槽置于超声清洗器内，试件采用悬挂固定。电镀过程示意 图见图2 - - 2 。 图2 2 电镀过程示意图 在电镀巾，一般都使用直流电流。因交流电流在反向电流时，电沉积的金属 又被溶解，所以交流电流无法电沉积金属。以镍板作为阳极，以镀件作为阴极， 形成一个回路。当电流从直流电源经过外导线引入阳极经镀液到阴极。再由外 导线流回电源。电流方向是正电荷移动的方向，而电子移动的方向与电流方向相 反。带正电的阳离子和带负电的阴离子同时存在于镀液叶1 ，如图2 3 所示。阳离 子向阴极移动，阴离子向阳极移动。阳极上主要发生镍的溶解，阴极则发生镍的 沉积。其反应式为：阳极n i 一2 e = n p 阴极n i ”+ 2 e = n i 。如果电源不断供给直流 电，阳极镍板就会不断地溶解，以补充溶液中镍离子的不断消耗，阴极上不断沉 积一层金属镍，实现镀镍。 第一章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 阴轻( 工件 盱撮( 镶扳) 图2 3 镀镍电路示意图 2 2 超声波对镍镀层组织的影响 1 试件制备 分别在超声波功率为0 w 、1 0 0 w 、1 5 0 w 、2 0 0 w 和2 5 0 w 的试验条件 下用上述方法制各镀件，以获取每种镀层试件的表面及截面试样。用手锯从制各 好的镀件上取下局部再用x q 2 型金相镶嵌机镶嵌试样，如图2 4 所示，然 后川p g l 型金相试样抛光机抛光，经l ：1 的c h 3 c o o i - i ：h n 0 3 溶液口”腐蚀 i 帖1 5s ，再j j4 x b - - c 型金相显微镜，如图2 5 所示，观察镀层金相组织。 阿 、j 图2 4x o 一2 型金相镶嵌机图2 54 x b - - c 型金相显微镜 和p g i 型金相试样抛光机 2 镍镀层组织 不同超声波功率条件下得到的镍镀层组织见图2 6 由此图可知，在超声 波作用下，镀层晶粒变小。分析超声波使镀层晶粒变小的原因是：超声波的机械 剪切作用使晶粒的生长受阻，超声空化作用抑制了晶粒的长大，使之成为小的晶 核：空化产生的高压造成瞬时局部过玲，减少了临界晶核半径，从而提高了形核 率。形核速率加快，晶粒得到了细化州。 第二章超声波对电镀金刚石工具镀层性能的影响 a ) o w( b ) 1 0 0 w( c ) 1 5 0 w 黼蟹 ( d ) 2 0 0 w( e ) 2 5 0 w 图2 6 不同超声功率下的镍镀层组织( x 6 0 0 ) 2 3 超声波对镍镀层硬度的影响 1 测试设备 试件制备方法与制各电镀金刚石工具镀层组织的方法相同。制备好的镍镀层 表面试样j j h x d 1 0 0 0 t c 型显微硬度计( 见图2 7 ) 测定镀层硬度。镀层硬度 是指镀层局都表面对外力所引起变形的抵抗能力。本试验一h 用于测定镀层显微 硬度的试验力为1 0g ，加载】5s ，每个试样取5 点进行测定，取其平均值作为该试 样的