收稿日期:2008年11月电镀金刚石线锯的制造工艺研究

高伟,窦百香,李艳红,刘伟

青岛科技大学

摘要:利用复合电镀法,以直径󰀁0󰀁3mm的琴钢丝为基体,选取400#的金刚石作为磨料,选用瓦特型镀液,采用埋砂法制造金刚石线锯。利用显微镜测试了镀层厚度,利用体视显微镜观察了线锯形貌。结果表明,上砂电流密度在2󰀁0A/dm2,上砂时间20min时能够获得金刚石磨粒分布均匀、与基体结合力好的金刚石线锯;给出了本实验条

件下制造电镀金刚石线锯的最佳电镀工艺参数。关键词:电镀;金刚石线锯;制造工艺中图分类号:TG717󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A

StudyonManufacturingProcessofElectroplatedDiamondwireSaw

GaoWei,DouBaixiang,LiYanhong,LiuWei

Abstract:Acompositeelectroplatingprocesswasusedtoelectroplateddiamondwiresaw.Pianowirewaschosenastheplat󰀁edcoreoftheelectroplateddiamondwireandthediamondsizewas400#.PuttingthewireintodiamondabrasivesandWatt󰀁type

solutionwereusedtomanufacturingthediamondwiresaw.Thecoatingthicknessandmorphologyofthediamondwereanalyzedbymicroscopeandstereomicroscope.TheresultsshowthatthecurrentdensityoftheNi󰀁diamondcompositeelectroplatingintherangeof2.0A/dm2andthetimeoftheNi󰀁diamondcompositeelectroplatingwas20min,diamondabrasiveswillbedistributedwellandthecoatinghadbetteradhesiontothesubstrate.Theoptimumprocessparametersofmanufacturingthediamondwiresawwerecon󰀁

firmed.Keywords:electroplated;diamondwiresaw;manufacturingprocess

󰀁󰀁1󰀁引言

随着硬脆材料应用的日益广泛,对其加工要求

也越来越高,特别是对单晶硅、宝石等贵重硬脆材料

的精密切割加工要求越来越高。然而,我国的硬脆

材料高效精密切割加工还处在发展阶段,加工效率

较低,材料浪费严重。目前,在硅晶体等硬脆材料的

切割中主要采用游离磨料线锯切割技术,即边切割

边向钢丝送带有磨料的浆液(金刚石或碳化硅浆

液)。但是游离磨料线锯切割技术具有明显的缺点:

切割效率低,锯口损耗大,表面粗糙度和面型精度难

以控制,浆液回收困难,工作环境恶劣等等[1]。

为解决上述问题,固结磨料线锯的研究越来越

受到国内外研究者的关注,特别是电镀金刚石线锯

和树脂结合剂线锯的研究[1-3],但树脂结合剂线锯

的耐磨性和耐热性不如电镀金刚石线锯好。金刚石

线锯是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀

的方式牢固地把持在钢丝基体上而制成的一种切割

工具。此外,电镀金刚石线锯具有切割效率高、锯切

力小、锯缝整齐、切面光整、出材率高、噪音低,对环

境污染小等优点,不仅适用于加工石材、玻璃等普通

硬脆材料,而且特别适合锯切陶瓷、宝石、水晶等贵重的硬脆材料[4]。本文利用复合电镀法研究了电镀

金刚石线锯的制造工艺,并给出了制造电镀金刚石

线锯的最佳工艺参数。

󰀁󰀁2󰀁锯丝的制备

锯丝基体采用强度高、柔韧性好的直径󰀁0󰀁3钢

琴丝,金刚石采用英国DeBeers公司提供的400#的

天然金刚石磨料。本实验制造的电镀金刚石锯丝长

度为300mm。电镀金刚石锯丝的制备工艺流程如图

1所示。

图1󰀁电镀金刚石锯丝制备工艺流程图

2.1󰀁前处理

实验前要对基体进行前处理。前处理的目的是

去掉锯丝基体上的油污和氧化层,提高基体和镀层

间的结合力。电镀金刚石线锯的前处理工序与普通

电镀的前处理工序基本相同。前处理的主要工序如

图2所示。

图2󰀁前处理的主要工序

先用400#的砂纸将基体表面较厚的氧化皮磨56工具技术掉;再用金属清洗剂配制的碱液煮沸30min,除去基

体表面的油污;然后将冲洗干净的钢丝放到10%的

盐酸溶液浸蚀5min,除去基体上残留的氧化皮和

锈;最后用去离子水清洗干净。

磨料选择400#的金刚石,磨粒直径为38󰀁m。金刚石在使用之前要经过磁选处理,金刚石由于有

磁性包裹体的存在,在电镀中容易引起镍瘤,因此在

电镀前应用磁铁将磁感应较大的金刚石除去。水对

金刚石的浸润性较差,由于界面张力的作用,使金刚

石在镀液中漂浮,影响上砂,所以在上砂前要对金刚

石使进行碱洗和酸洗,以提高金刚石的亲水性,还能

除去金刚石表面的杂质。本实验采用的处理方法

为:将金刚石磨料放入NaOH溶液中煮沸10min,除

去金刚石表面的油污;再放入浓HNO3溶液中浸泡

24小时,去除表面杂质,同时使金刚石表面变得粗

糙,达到亲水目的;最后用去离子冲洗后用镀液浸泡

以备使用。

2.2󰀁镀液的成分及电镀设备

实验选用瓦特型镀液进行电镀金刚石线锯,具

体的镀液组成见表1。表1󰀁镀液组成

名称硫酸镍硼酸氯化镍十二烷基硫酸钠1.4丁炔二醇浓度(g/L)25035300.11.0

实验在自制的电镀设备上进行,电镀电源采用

HY1711型直流电源,电压和电流分别可在0-30V

和0-1󰀁2A的范围内连续可调。为提高电流调整的

精确度,串联一个0-500mA的电流表。电镀时采

用水浴加热,电镀槽用4mm厚的硬PVC板制成,电

镀槽尺寸为400mm󰀁150mm󰀁200mm。砂槽使用

1mm厚的硬聚氯乙烯板,用树脂胶粘结而成,要求

越小越好,但又必须保证基体在砂槽中放置时与砂

槽内壁保持2-3mm左右。砂槽尺寸为300mm󰀁

30mm󰀁35mm。砂槽个表面尽可能多的钻上直径为

3mm的小孔,打磨平后将400#尼龙网用胶粘在砂槽

内壁。采用四条稳固的PVC脚腿支起砂槽,使其不

与电镀槽底直接接触,以增加透气性。镀液温度为

35󰀁,镀液温度由TDA系列温度显示调节仪控制。

镀液的PH值为4.5。

2.3󰀁预镀

锯丝基体经过前处理后可以进行预镀镍,预镀

的目的是为了在基体与金刚石之间增加一个过镀

层,增加镀层与基体的结合力。镀层与基体的结合

力是影响工具寿命的重要因素,镀层结合力大小与

预镀电流密度的大小有密切关系。实验1为预镀电流密度对锯丝镀层结合力的影响。实验采用的预镀时间为30min,电流密度分别为0.5A/dm2、1A/dm2、

1.5A/dm2、2A/dm2,然后将锯丝缠绕在直径为20mm

的圆柱上观察镀层的裂纹与剥离现象,来评价镀层

与基体的结合力。通过实验1确定了最佳预镀电流

密度。

实验2为镀层厚度与时间的关系。实验采用的

电流密度为1.5A/dm2,预镀时间分别为10min、

20min、30min、40min、50min,通过实验2得出了镀层

厚度与时间的关系曲线,从而确定了预镀时间。

2.4󰀁上砂

经过预镀之后就可以进行上砂了,上砂是把刚

石磨粒电镀到预镀的镍镀层上,是电镀金刚石线锯

制作中最关键的一步。上砂一般分为埋砂法和落砂

法。埋砂法是将锯丝基体埋入砂槽中,轻轻晃动砂

槽使金刚石磨料与锯丝基体紧密接触,确保上砂均

匀。落砂法是采用搅拌的方法使金刚石磨料悬浮在

镀液中对锯丝基体进行上砂的方法。由于不锈钢丝

基体为圆柱形,落砂法很难保证在钢丝表面均匀地

沉积金刚石磨料,所以实验采用埋砂法。

影响金刚石密度的因素有上砂电流密度及上砂

时间。当上砂时间为20min时,改变阴极电流密度,

研究阴极电流密度对锯丝表面金刚石磨料密度影

响。上砂电流密度分别为0.5A/dm2、1󰀁0A/dm2、

1󰀁5A/dm2、2󰀁0A/dm2、2󰀁5A/dm2,通过实验确定了金

刚石磨料分布均匀的最佳上砂电流密度。当上砂电

流密度为2󰀁0A/dm2时,通过改变上砂时间得出金刚

石磨料分布均匀的最佳上砂时间,实验采用的上砂

时间分别为20min、30min、40min、50min。

2.5󰀁加厚

上砂后,便可进行加厚。加厚就是随着电镀时

间的加长,使镀层沉积到一定的厚度。理想的厚度

是将金刚石粒径的2/3埋在镀层里。在1󰀁5A/dm2

的电流密度下,按时间公式计算出理论加厚时间为

t=󰀁󰀂󰀁1000Dk󰀁kK[6]

式中󰀁t󰀁󰀁󰀁电镀时间(h)󰀁󰀁󰀁󰀁镀层厚度(对于电镀金刚石来说厚度

取金刚石颗粒的平均粒径mm)󰀁󰀁󰀁󰀁金属比重(对于镀镍取8.8g/cm3)

Dk󰀁󰀁󰀁电流密度(一般取1.5A/dm2)

󰀁󰀁󰀁󰀁电流效率(镀镍时取95%)

K󰀁󰀁󰀁电化当量(镍的电化当量为1.095)

计算结果为2h,通过实验得出,当加厚时间为

1󰀁2h时,得到的镀层厚度能将金刚石粒径的2/3埋

在镀层里。理论加厚时间和实际加厚时间差别很

大,其原因是金刚石的存在占了总体积的50%左572009年第43卷󰀁7右,因此,缩短了电镀时间。

2.6󰀁后处理

电镀结束后,取出锯丝用去离子水冲洗干净,进

行除氢处理。电镀过程中,总会有H+在阴极上还

原为H原子,其中一部分形成H2排出,另一部分则

以H原子形态渗入到基体和镀层的金属晶格中,即

渗氢。渗氢使晶格歪曲,因此产生很大的内应力,发

生󰀁氢脆󰀁现象。为了预防电镀金刚石线锯在使用时

发生氢脆现象,电镀完成后就要立刻进行除氢处理,

一般是将锯丝放在烘箱中加热至200󰀁并保温2小

时。

󰀁󰀁3󰀁电镀工艺参数对锯丝质量的影响

3.1󰀁预镀电流密度及预镀时间

预镀电流密度对镀层结合力的影响见表2。表2󰀁预镀电流密度对锯丝镀层结合力的影响序号电流密度(A/dm2)弯曲后观测镀层表面结果10.5表面产生细裂纹21结合牢固无裂纹和剥落现象31.5结合牢固无裂纹和剥落现象

42镀层出现剥离

由表2可以看出,当阴极电流密度为0.5A/dm2

时,弯曲后镀层表面产生微细裂纹,这是因为电流密

度过低,阴极极化作用小,镀层结晶晶粒较粗而导致

的。当电流密度在1.0-1.5A/dm2时能够获得较好

的镀层结合力,这时电流密度使镀层结晶细致紧密,

内应力小,所以弯曲时无裂纹和剥落现象。当电流

密度为2.0A/dm2时,由于超过了获得良好镀层的电

流密度上限,阴极析氢严重使镀层结晶不规律,内应

力过大,因此,弯曲后镀层出现剥离现象。所以,为

了提高电镀效率,取预镀电流密度为1.5A/dm2。

图3󰀁镀层厚度与时间的关系

图3是镀层厚度与时间的关系曲线,在开始电

镀时,由于钢丝基体直径较小,所以镀层厚度增加较

快,随着电镀过程的进行,被镀件的直径逐渐增加,

因为电流密度不变,所以被镀件的直径变化较缓慢,

及镀层厚度增加量逐渐减少。反应在图上即为镀层

增长厚度的斜率逐渐减小。

预镀层厚度一般为1-

3󰀁m[5],本实验获得的预镀层厚度为3󰀁m,由图3可以看出,电流密度在

1󰀁5A/dm2时,预镀时间为10min。图4是利用显微镜拍摄的此参数下的镀层厚度。

图4󰀁镀层厚度

3.2󰀁上砂电流密度对上砂金刚石密度的影响

当上砂时间为20min时,改变阴极电流密度,研

究阴极电流密度对锯丝表面金刚石磨料密度影响。

当阴极电流密度为0.5A/dm2时,金刚石磨粒之间的

间隔较大(见图5a)。当阴极电流密度为1.0A/dm2

时,锯丝表面的金刚石磨料浓度增大,但是分布均

匀,没有出现团聚状态(见图5b)。当阴极电流密度

为1󰀁5-2󰀁0A/dm2时,磨粒浓度没有明显变化,分布

均匀(见图5c、d)。当电流密度为2󰀁5A/dm2时,出

现烧焦的现象。

(a)0.5A/dm2(b)1.0A/dm2

(c)1.5A/dm2(d)2.0A/dm2

图5󰀁阴极电流密度对上砂金刚石密度的影响

由于镀层的生长速度随着电流密度的增大而增

大,当电流密度为0󰀁5A/dm2时,镀层的生长速度较

慢,部分磨粒在上砂过程中埋入深度太浅而在卸砂

过程中脱落,因此在复合镀层中沉积的磨粒相对较

少。当电流密度在1󰀁0A/dm2-2󰀁0A/dm2时,镀层中

沉积的金刚石数量基本稳定,而且分布均匀,没有出

现镍瘤等不良现象。当阴极电流密度增加到2󰀁5A/

dm2时,出现烧焦现象,这说明已经超出了获得良好

镀层允许的电流密度上限。电镀质量差或难以镀上

金刚石磨料,将严重影响锯丝的切削能力和使用寿

命。因此,上砂电流密度在1.0A/dm2-2.0A/dm258工具技术