电镀金刚石砂轮制造论文

电镀金刚石砂轮制造论文 本科毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 (论文) 电镀金刚石砂轮制造 摘要 电镀金刚石砂轮具有工艺简单、投资少、制造方便、无需修整、工作速度高等优点，在现代材料加工领域的应用越来越广泛。本文意在研究电镀金刚石砂轮的制造工艺，优化工艺过程，制造出优质的电镀金刚石砂轮。 通过扫描电子显微镜(SEM)等分析手段观察电镀金刚石砂轮的的微观结构，比较不同工艺条件下所制造的电镀金刚石差异。 关键词:电镀金刚石，工艺，微观结构 Abstract Electroplating diamond grinding wheel has a lot advantanges such as simple process, less investment, easy fabrication, no nap, the high working speed. In the modern material processing fields,this grinding wheel was used more and more widely. This article is to study manufacturing technology of the diamond grinding wheel optimize the process, to produce high quality electroplating diamond grinding wheel. Analysising and observing the microstructure method of observation electroplating diamond wheels through the scanning electron microscope (SEM).We can compare the differences of electroplating diamond made under different process conditions . Keywords: electroplated diamond, process, the micro structure 目录 1绪论 .................................................................................................................................... 1 1.1引言 ............................................................................................................................. 1 1.2 金刚石工具的发展 ..................................................................................................... 1 1.2.1金刚石工具在国外发展........................................................................................ 1 1.2.2金刚石工具在国内发展........................................................................................ 2 1.3金刚石工具分类 .......................................................................................................... 2 1.3.1烧结金刚石工具 ................................................................................................... 2 1.3.2电镀金刚石工具 ................................................................................................... 3 1.3.3钎焊金刚石工具 ................................................................................................... 4 1.4电镀金刚石砂轮 .......................................................................................................... 5 1.4.1金刚石的特点 ....................................................................................................... 5 1.4.2金刚石砂轮的结构 ............................................................................................... 7 1.4.3金刚石砂轮的优点 ............................................................................................... 7 1.4.4电镀金刚石砂轮的概念........................................................................................ 7 1.4.5电镀金刚石砂轮的原理........................................................................................ 8 1.4.6电镀金刚石砂轮的优点........................................................................................ 8 1.4.7电镀金刚石砂轮的应用范围 ................................................................................ 8 1.4.8电镀金刚石砂轮的研究重点 ................................................................................ 9 2实验方法 .......................................................................................................................... 10 2.1.电镀 ........................................................................................................................... 10 2.1.1电镀的概念 ......................................................................................................... 10 2.1.2电镀的原理 ......................................................................................................... 10 2.1.3电镀的工艺要素 ................................................................................................. 11 2.1.4电镀的质量检测 ................................................................................................. 12 2.2金刚石的选用 ............................................................................................................ 12 2.2.1 金刚石的选择 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ............................................................................................ 12 2.2.2金刚石的除杂方法 ............................................................................................. 13 2.2.3电镀金刚石的测试方法...................................................................................... 13 3实验过程 .......................................................................................................................... 15 3.1实验设备 ................................................................................................................... 15 3.1.1电镀设备 ............................................................................................................. 15 3.1.2检测设备 ............................................................................................................. 16 3.2实验方案 ................................................................................................................... 16 3.2.1金刚石的选择与表面处理 .................................................................................. 17 3.2.2基体的选择与镀前处理...................................................................................... 18 3.2.3镀液的成分 ......................................................................................................... 18 3.2.4镍阳极的选择与排布 ......................................................................................... 20 3.2.5电镀工艺 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ..................................................................................................... 21 3.2.6施镀 .................................................................................................................... 22 3.2.7实验结果 ............................................................................................................. 22 3.2.8微观分析 ............................................................................................................. 23 4结论与展望 ...................................................................................................................... 26 参考文献 ............................................................................................................................. 27 致谢 ....................................................................错误～未定义书签。错误～未定义书签。 1绪论 1.1引言 超硬材料是指以金刚石为代表的，具有很高硬度的物质的总称。金刚石是自然界目前已知硬度最高的物质，已经获得了广泛应用。立方氮化硼是另一种应用较多的硬度仅次于金刚石的材料。超硬材料的范畴没有一个严格的限定，人们习惯于把金刚石和硬度接近金刚石的材料称为超硬材料。由于超硬材料的硬度很高，因而在制作切削、磨削加工工具和耐磨材料等方面具有特殊的应用价值。超硬材料工具是人类生产工具中的一种先进的加工工具，影响着人类的进步。特别对于现代制造业的发展，超硬材料工具以其超凡的磨削性能创造出非常高的生产效率。作为加工工具，一般都有一定的形状要求，并且必须具有足够高的强度。人工合成的金刚石与立方氮化硼大多为细小的颗粒，难以直接使用，必须借助于称之为结合剂的材料或用特殊方法将其固定在工具的有效工作部位，即通过材料复合技术将其制备成具有一定强度和形状的，可供手工或机械使用的工[1]具。 随着科学技术的发展，新型材料不断出现，机械加工范围不断扩大，对加工质量要求也不断提高。机械加工向高质量、高精度、高效率、低成本、自动化方向不断发展，超硬材料工具的应用范围越来越广，用量不断增长。目前金刚石工具广泛用于硬质合金、金属陶瓷、铸铁、陶瓷、电子和晶体材料、玻璃、宝石、石材、铁氧体、混凝土、耐火材料、纤维增强塑料等许多材料的切割和磨削加工中，并且无论是在应用领域还是用量 [2-3]方面都还在不断增加中。 1.2 金刚石工具的发展 1.2.1金刚石工具在国外发展 二十世纪三十年代，德国人取得了用电镀镍制造金刚石牙医钻头的专利，这是金刚石电镀制品实际应用的开端。40年代末，美国人进一步开发了用电镀镍制造金刚石制品的技术。50年代，美国利用人造金刚石微粉和人造CBN微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔(DeBeers)公司、前苏联和日本也相继研制成功。70年代初，又推出了金刚石或CBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm-1mm的PCD或PCBN而成， 1 从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。现在，又出现了人工合成大单晶金刚石，以及用CVD(化学气相沉积)法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料。因此，大大拓宽了超硬刀具材料的应用领域。 1.2.2金刚石工具在国内发展 我国超硬刀具材料的研究与应用开始于70年代，并于1970年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂——第六砂轮厂。从1970-1990年整整20年中，超硬材料年产量仅从46万克拉增至3500万克拉。90年代前后不少超硬材料生产专业厂从国外引进了成套的超硬材料合成设备及技术，产量得到迅速发展，至1997年我国人造金刚石年产量就已达到5亿克拉左右，CBN年产量达800万克拉，跃居世界上超硬材 [4-5]料生产大国之首。近10 年来我国人造金刚石产量情况，如表1.1 表1.1 我国人造金刚石近10年的年产量(亿克拉) 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 年份 5.0 6.0 9.0 12.0 16.0 20.0 25.3 32.9 39.0 产量 1.3金刚石工具分类 金刚石工具按照结合剂种类可以分为:金属基、陶瓷基、树脂基三种，其中金属结合剂金刚石工具由于强度高、磨削效率高、使用寿命长等显著特点在生产中得到广泛应用。金属结合剂金刚石工具按制造方法主要有烧结法和电镀法，但由于金刚石与结合剂之间大多属于机械镶嵌，金刚石结合强度低，出刃低而导致工具的加工效率和寿命较低。近年来，钎焊法制备金刚石工具得到了国内外的广泛关注，钎焊工具由于金刚石和钎料之间能够形成化学冶金结合而具有较高的结合强度和出刃高度，进而提高了工具的加工性能和自锐性。因而特别适用于难加工材料的高速高效加工。 1.3.1烧结金刚石工具 [6-7]烧结金刚石工具(如图1.1)已广泛应用于硬脆难加工材料的加工领域中，然而大多数的研究集中于地质勘探、水电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 及建筑工程等领域，加工对象多为岩石及石材 2 等。烧结金属结合剂金刚石工具有其缺点: (1)结合剂与金刚石界面未形成完全的化学键合，使其在加工磨损过程中不能保持对磨料的较强把持力; (2)金刚石的出刃率低，加工效率低，大部分金刚石磨料工具实际上只发挥了它很低的工作效能(小于30%)，超过70%的昂贵金刚石脱落后很难再回收利用; (3)烧结温度高(800?以上)，由于金刚石热稳定性差，烧结时间过长对金刚石造成热损伤，降低了金刚石本身的强度。方啸虎等的研究表明，在孕镶烧结金刚石工具中，金刚石无序排列，出刃自锐问题难于解决，金刚石与粉料也很难实现冶金结合。这种工艺不能充分有效的发挥金刚石的锯切性能。 图1.1 烧结金刚石工具 1.3.2电镀金刚石工具 [8]单层电镀金刚石工具(如图1.2)是通过电镀金属的电沉淀作用，把金刚石固结在金属镀层中。电镀工具制备简单，出刃好，切削能力强，无需修整。但金刚石颗粒与电镀层之间仅是简单的机械镶嵌作用，结合剂与金刚石结合强度不高。为了增加镀层金属对金刚石的把持力，必须增加镀层厚度，减小磨粒的裸露高度，但这又导致容屑空间减 3 小，工具易发生堵塞。另外，电镀液对人体和环境都有危害。早在九十年代初期，国外就开始大力研究可商业化应用的以高温钎焊替代电镀工艺的新型单层高温钎焊金刚石工具，国内的南京航空航天大学、南京理工大学、华侨大学等先后成功实现了单层金刚石工具的钎焊。 图1.2 电镀金刚石工具 1.3.3钎焊金刚石工具 钎焊金刚石工具(如图1.3)的原理是采用含有碳化物形成元素(如Ti、Cr、W等)的钎料合金，在钎焊过程中于金刚石表面发生化学反应，在界面形成一层碳化物。借助于这层碳化物的作用，金刚石、钎料、基体三者之间能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合，钎焊金刚石具有较高的结合强度，仅需要将结合层厚度维持在金刚石高度的30%左右就能在大负荷高速高效加工中牢固的把持住金刚石。因此，理论上钎焊工具的金刚石裸露高度可达磨粒高度的70%左右，从而创造了切割锋利、排屑好的优越条件;此外，金刚石在工具表面可以实现规则均布，充分发挥金刚石的作用，节省金刚石用量，降低成本;在保证寿命的条件下，切削效率成倍提高。 4 图1.3钎焊金刚石工具 1.4电镀金刚石砂轮 1.4.1金刚石的特点 金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材(尤其是实心木和胶合板等复合材料)。 金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低。700-800?时容易碳化，故不适于加工钢铁材料。因为在高温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构。此外，用它切削镍基合金时，同样也会迅速磨损。 另外，与其它磨料相比，金刚石的显微硬度分别是碳化硼、碳化硅和刚玉的两倍、三倍和四倍。几种磨料的物理特性见表1.2。 5 表1.2 几种磨料的物理特性 刚玉 碳化硅 立方碳化硼 金刚石 晶系 —— 六方 立方 立方 密度 3.94-4.05 3.20 3.48 3.52 3(g.cm) 显微强度 1800-2450 3100-3400 7300-1000 10000-10100 (HV) 抗弯强度 天然210-490 87 155 300 (MPa) 人造300 抗压强度 757 1500 800-1000 2000 (MPa) 弹性模量 天然90 30-52 39 72 4(×10MPa) 人造74-105 导热系数 30.1 8.4 79.5 146.5 (W/m.k) 热稳定性 1200 1300-1400 1300-1500 700-800 (?) 线膨胀系数 8.3 4.5 4.3 4.3 -6(×10?) 化学稳定性 稳定 与铁反应 高温下与水碱反应 与铁反应 从表1.2中可以看出与普通磨料相比，金刚石磨料具有如下优异的性能: (1)磨粒强度高、硬度大，磨粒耐用度高; (2)导热率高，磨削温度低; (3)膨胀系数小，使用寿命长。 因此，用金刚石制成的磨具比普通用普通磨具的磨削性能高得多，而且它的导热率比较高，磨削刃锋利，磨削能力强，堵塞少，加工面粗糙度好，擦痕和磨削烧伤等现象少，但其不足的是与铁族元素容易发生反应。金刚石磨料及制品主要用于加工除铁族金 6 属以外的各种难加工材料，如石材、玻璃、水泥制品、耐火材料、陶瓷无机晶体材料、木材以及硬质合金及硬脆的有色金属(铸件)等。 1.4.2金刚石砂轮的结构 金刚石砂轮结构一般由工作层、基体、过渡层三部分组成。工作层又称金刚石层，由磨料、结合剂和填料组成，是砂轮的工作部分。过渡层又称非金刚石层，由结合剂、金属粉和填料组成，是将金刚石层牢固地连接在基体上的部分。基体，用于承接磨料层，并在使用时用法兰盘牢固地夹持在磨床主轴上。一般金属结合剂制品选用钢材、合金钢粉作基体;树脂结合剂选用铝合金、电木作基体。由铝、钢或电木加工而成，起支承工作层和装卡磨具的作用。砂轮成型质量的好坏和使用精度的高低都与基体有很大关系。 1.4.3金刚石砂轮的优点 人造金刚石具有表面粗糙度大的特点，磨粒在结合剂中结合得比较牢固，磨粒上的刃口多，刃口圆弧半径小，比较锋利，切削效率高且自锐性好。金刚石砂轮用于加工硬 [9]质合金刀具时具有明显的优越性，用金刚石砂轮进行磨削时，具有以下优点: (1)磨削效率高:磨削硬质合金时，它的磨削效率是碳化硅的5-10倍; (2)具有很高的耐磨性:金刚石砂轮的耐磨性很高，磨粒消耗很少，特别是在磨削硬、脆工件时最为明显。用金刚石砂轮磨削淬火钢时，其耐磨性是一般磨料的100-200倍;磨削硬质合金时，则是一般磨料的5000-10000倍; (3)磨削力小，磨削温度低:金刚石磨粒的硬度和耐磨性很高，磨粒能长久保持锋利，容易切入工件; (4)磨削的工件精度高、表面质量好:用金刚石砂轮磨削硬质合金刀具，刀面和刀刃的粗糙度比用碳化硅砂轮磨削要低得多，刃口圆弧半径小，刀刃十分锋利，刀具的耐用度可提高1-3倍。用金刚石砂轮加工的工件，表面粗糙度Ra一般可达0.100-0.025um，比普通砂轮磨削可提高光洁度1-2级。目前，超硬材料的应用主要是作为制备加工工具的材料，包括作为磨具、刀具、钻头、锯片等，约占超硬材料总量的95,以上。 1.4.4电镀金刚石砂轮的概念 电镀金刚石砂轮是用电化学法制作的金刚石砂轮。砂轮工作层含有金刚石磨粒，金 7 刚石磨料被金属结合剂粘结在基体上。首先沉积金属结合剂的厚度为金刚石磨粒高度的20%(上砂)，然后继续用金属结合剂把金刚石磨粒粘结(增厚)，厚度约为磨粒高度的2/3。包括金刚石修整砂轮，磨削或切削用金刚石砂轮。 1.4.5电镀金刚石砂轮的原理 +金刚石在弱酸性溶液中吸附H(这可由加入金刚石后溶液pH升高而证明)，并在电场作用下向阴极缓慢移动，最终吸附在阴极表面。这样当不断在阴极表面吸附时，就把吸附在阴极表面的金刚石不断包裹起来，形成金刚石复合镀层。 1.4.6电镀金刚石砂轮的优点 (1)无需修整，使用方便; (2)可以制作各种形状复杂的工具，而且精度很高; (3)对于精度要求较高滚轮砂轮，电镀唯一制造方法; (4)镀层在基体上分布完整，厚度均匀，不受被基体形状限制; (5)电镀法还有工艺简便，成型方便，可以修复，制造周期短，设备投资少等特点，不需要粉末成型液压机和高温烧结炉; (6)制造温度低是电镀法的一个显著的特点，也是优点。电镀可在常温下进行，即使加热，温度也不会超过100?。它避免了烧结法产生的高温损伤，而且比使用高温电热装置的烧结法节约电能。 正由于这些优势，电镀砂轮高速、超高速磨削占据着无可争议主导地位。 1.4.7电镀金刚石砂轮的应用范围 (1)机械加工工业:电镀金刚石滚轮已成功地应用于修整成型磨削用的普通砂轮或者直接对工件进行成型磨削，并广泛地用于加工曲轴、轴承、液压阀件等。电镀金刚石手工什锦锉或机用锉刀，以及各种形状的金刚石磨头，广泛应用于加工修磨、以硬质合金或淬液硬钢材制造的模具、或者各种形状的工件表面和内孔。电镀金刚石铰刀已成为液压设备和缝纫机零件绞孔的工具。它具有精度高、效率高、耐用等优点。 (2)电气电子工业:电镀金刚石内圆和外圆切割片是切削半导体等硬脆的贵重材料的最佳工具。具有效率高、切缝窄、材料损耗少等特点。电气和电热设备中常用的石 8 墨和碳精材料，具有硬而脆的性质，可使电镀金刚石磨辊刨平大石墨块;可用电镀锯片切割;可用电镀磨轮成型磨削。 (3)光学玻璃工业:电镀金刚石掏料刀可以直接任光学玻璃板材上掏取各种规格的光学仪器镜头的圆坯。电镀金刚石磨轮、扩孔器、钻咀等，可以在普通平板玻璃上进行磨边、钻孔、扩孔。 (4)工艺美术及日用品工业:电镀金刚石磨头等，叮对各种毫石、碧玉、陶瓷等工业美术品进行雕琢和磨花:电镀金刚石指甲锉作为成套的修饰工具之一，々供人们修磨指甲用。电镀金刚石磨轮用于橡胶鞋底修边。 1.4.8电镀金刚石砂轮的研究重点 电镀金刚石砂轮受到极大关注，目前主要研究方向为: (1)研究电镀金刚石砂轮用的基体，主要是钢丝基体，对其他基体的研究比较少，基体材料比较单一，因此进一步拓展电镀金刚石砂轮用的基体成为研究方向之一; (2)由于目前常用的电锯金刚石砂轮的使用寿命不尽如人意，进一步增强结合剂对金刚石的把持力，开发更加持久、耐用的金刚石线锯成为研究方向之一; (3)目前常用的制备电镀金刚石砂轮的电镀技术需要时间较长，进一步加强电镀技术的研究，缩短制备周期和降低制造成本也成为研究方向之一。 9 2实验方法 2.1.电镀 2.1.1电镀的概念 电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层的其它金属或合金的过程。其目的是使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜，从而起到防止腐蚀、提高耐磨性、导电性、润滑性、反光性及增进美观等作用。 2.1.2电镀的原理 电镀的基本原理是将零件浸在金属盐的溶液中作为阴极，金属板作为阳极，接直流电源后，在零件上沉积出所需的镀层。 图2.1 电镀铜原理 例如:电镀铜(如图2.1)时，阴极为待镀零件，阳极为纯铜板，在阴阳极分别发生如下反应: 阴极(镀件):Cu++2e?Cu (主反应) 2 2+阳极(铜板):Cu,2e?Cu (主反应) 10 2.1.3电镀的工艺要素 (1)主盐体系 每一镀法种都会发展出多种主盐体系及与之相配套的添加剂体系.如镀锌有氰化镀锌、锌酸盐镀锌、氯化物镀锌(或称为钾盐镀锌)、氨盐镀锌、硫酸盐镀锌等体系。 每一体系都有自己的优缺点，如氰化镀锌液分散能力和深度能力好，镀层结晶细致，与基体结合力好，耐蚀性好，工艺范围宽，镀液稳定易操作对杂质不太敏感等优点.但是剧毒，严重污染环境。氯化物镀锌液是不含络合剂的单盐镀液，废水极易处理;镀层的光亮性和整平性优于其它体系;电流效率高，沉积速度快;氢过电位低的钢材如高碳钢，铸件，锻件等容易施镀.但是由于氯离子的弱酸性对设备有一定的腐蚀性，一方面会对设备造成一定的腐蚀，另一方面此类镀液不适应需加辅助阳极的深孔或管状零件。 (2)添加剂 电镀的添加剂包括光泽剂、稳定剂、柔软剂、润湿剂和低区走位剂等。光泽剂又分为主光泽剂，载体光亮剂和辅助光泽剂等。对于同一主盐体系，使用不同厂商制作的添加剂，所得镀层在质量上有很大差别。总体而言欧美和日本等发达国家的添加剂最好，台湾次之，大陆产的相对而言比前两类都逊色。 主盐与具体某一厂商的添加剂的联合决定了使用的镀液的整体性能。优秀的添加剂能弥补主盐某些性能的不足。如优秀的氯化物镀锌添加剂与氯化物主盐配合得到的镀液深镀能力比许多氰化镀锌镀液的深度能力好。 (4)后处理 电镀后对镀层进行各种处理以增强镀层的各种性能，如耐蚀性，抗变色能力，可焊性等。 脱水处理:水中添加脱水剂，如镀亮镍后处理; 钝化处理:提高镀层耐蚀性，如镀锌; 防变色处理:水中添加防变色药剂，如镀银，镀锡，镀仿金等; 提高可焊性处理:如镀锡。 因此，后处理工艺的优劣直接影响到镀层这些功能的好坏。 11 2.1.4电镀的质量检测 (1)外观:合格镀层外观应该是色泽均匀，不允许起瘤、不允许烧焦;不能有应当镀而没镀上的部位;不允许增厚不足或增厚过度。另外，光亮镀层的光洁度和光亮度都应符合要求; (2)几何尺寸:使用的检查工具应有足够的精度，如工业千分尺、卡尺等; (3)金刚石固结强度:指金刚石在镀层金属中固结的牢固程度(把持力);用GCrl5钢片(HRC=54)刮磨工作面往复5次，磨粒不脱落即为合格。但是，这种方法只能在金属镀层厚度低于金刚粒直径的情况下才能使用; (4)金刚分布均匀性:使用带刎度尺的l0倍放大镜，观察工具工作层的表面若发现0.5 mm宽的空白处无金刚颗粒，则可认为金刚石分布不均匀。 2.2金刚石的选用 2.2.1 金刚石的选择标准 (1)外观特征:纯净金刚石应是无色透明的，实际上常因含有杂质和缺陷而显色，如图2.2。人造金刚石在金相显微镜下观察呈八面体、菱形十二面体、 方体及聚集体。常显黄绿色，杂质较多者既显灰绿色，含硼金刚石则呈黑色。 图2.2 纯净金刚石 (2)使用性能:按JB2808—79部标，金刚石分为JR1、JR2、JR、JR4 4个型号。 12 标号越高，硬度越高，质量越好，价格越贵，但并非使用性能就越好。虽然JR4金刚石硬度最高，但锋利度不如JR3金刚石，如果将两者混合使用，既能保持良好的使用性能，又能降低牛产成本。 2.2.2金刚石的除杂方法 (1)磁性杂质:人造金刚石因为含有磁性包裹体(触媒金属)，一般都具有磁性，包裹体含量越高，磁性就越强。磁性强的金刚石不仅杂质多、强度低、耐热性差，而且会对电镀质量产生不良影响，容易形成镍瘤。因此，一般不选用。其原是磁性包裹体是良好导体，使金刚石颗粒绝缘性变差，出现了，微弱的导电性。于是，在电力线夹端效应作用下金属镍优先镀在高出于镀层上的金刚石夹端形成镍瘤。为了避免磁性杂质的影响，金刚石使用前要进行磁选， 最好在用磁选机上进行，也可以使用磁铁除去磁感较强的颗粒。一目(发现金刚石磁性强，应将金刚石全部退货。 (2)吸附杂质:金刚石其实并不纯净，其表面总是沉着一层吸附杂质，如果事先不除去，金刚石粉粒就会漂浮在电解液表面，不能沉积到基体上去 因此金刚使用前必须经亲水(湿润)处理。 2.2.3电镀金刚石的测试方法 (1) 结合力测试 镀件经400?保温1 h，冷处理后, 观察镀层是否碎裂， 然后用冲击法作破坏性实验，观察金刚石微粒是否脱落。 (2) 金刚石微粒含量测定 用称量法测定金刚石微粒含量。镀前在1/ 10000 g 天平上称出经冲洗烘干后基体镀件的重量，后再称出镀件的重量，得到镀层和金刚石微粒的重量。用1?4 的硝酸溶液( 38%的浓硝酸与水的体积比) 加热溶解镀层，残留金刚石微粒经冲洗、过滤、烘干等处理后，称出量瓶、滤纸、金刚石微粒总重量，按下式计算镀层内金刚石微粒含量。 13 式中:W——镀层内金刚石微粒质量百分比; t W——镀层质量; 0 W——量瓶、滤纸质量; 1 W——量瓶、滤纸、金刚石微粒总质量。 2 14 3实验过程 3.1实验设备 3.1.1电镀设备 实验采用广东工业大学研发番禺广兴电镀设备厂的精密微成型双缸电铸机床(如图3.1)和中山市宝辰机电设备有限公司制造的PR-50V/12V高频开关电源(如图3.2)。 (a)精密微成型双缸电铸机床 (b)镀槽 图3.1电镀设备 图3.2 PR-50V/12V高频开关电源 15 3.1.2检测设备 实验的检测部分采用超景深三维显微系统(如图3.3)型号为:VHX-600，其显示屏为15英寸，5400万像素，放大倍数为20×-200×,景深34-0.444mm，分辨率为0.05um/脉冲。 图3.3 超景深三维显微系统 3.2实验方案 电镀金刚石砂轮制造工艺过程一般包括以下几个方面: 金刚石的选择与表面处理、电镀规范的规定、电镀液的配制、基体机械加工与镀前表面处理、施镀、微观分析等。 金刚石的选择电镀液的配制 镀前表面处理 与表面处理 施镀 微观分析 性能测试 图3.4 实验方案 16 3.2.1金刚石的选择与表面处理 所用金刚石一般应选择等积形高强度品种, 金刚石在使用前经净化和亲水化处理。金刚石粒度直接影响加工效率和表面光洁度及金刚石的消耗量。在满足光洁度要求的前提下, 应尽量选用粗粒度, 以提高效率。在一般的磨削中, 金刚石磨具选用的粒度范围如表3.1。 表3.1 金石磨具选用的粒度范围 磨削工艺 选用粒度范围 粗磨 80-100目 半精磨 120-180目 精磨 180目-W40 研磨、抛光 W40-W100 本试验选用的人造金刚石磨料粒度为80/100(如图3.5)。 图3.5 金刚石磨料 采用磁铁进行磁选，以减少磁性杂质，防止镀层产生结瘤现象。用10% HCl溶液清洗，以除去金刚石表面的金属杂质和有机物杂质。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。最后将清洁后的金刚石浸于含润湿剂的镀液中，使其充分湿润，从而有效地增加金刚石与镀液的浸润性，以提高 17 金刚石与镀层金属的结合力。 3.2.2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。电镀金刚石砂轮镀层与基体的结合是否牢固是衡量砂轮质量好坏的一个重要指标。 金属工件表面的油污、氧化物、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要求是使表面平整，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。 基体的镀前处理工艺如下:用粗砂纸将基体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(聚氯乙烯薄膜带)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ME-622化学除油清洗剂，在50-60?下浸泡15-20 min，直到基体表面没有油污、氧化膜和附锈为止。水冲洗后蒸馏水冲洗至中性。采用10%的稀盐酸进行弱侵蚀，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 2+预镀金属离子(Ni)直接在其上沉积，从而实现镀层与基体之间的牢固结合。基体经活化后要迅速带电入槽，进行电镀。 3.2.3镀液的成分 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 [10]酸、氯化镍及十二烷基硫酸钠等。 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，覆盖能力随之也差，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(60g/l以下)时，镍层容易烧焦。硫 [11]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。通常硫酸镍的含量在200g/l左右。 18 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。有的文献认为它不仅增加电导，而且能去阳极极化并改善阳极溶解，防止其钝化。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的降低、槽端电压的升高及电流密度的降低。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 [12]加，也是镀层产生脆裂的潜在因素。 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pH值升高的情况下，硼酸的缓冲容量随pH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。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， [13]这两种作用都有效地减缓了阴极附近溶液pH值的变化。 镀液中的十二烷基硫酸钠(CH5SONa)以及第一类光亮剂—糖精1224 (CHSONHCO)、对苯磺酰胺等中都含有硫。电镀过程中，硫在阴极表面还原，进入642 镀层，使镀层含硫形成固溶强化。 本试验工具镀层制备时所用基础镀液配方，见表3.2。 19 表3.2 基础镀液成分 组成 含量(g/l) NiSO?7HO 200 42 CoSO?7HO 15 42 HBO 20 33 NaCl 15 CHNaSO 0.1 12254 糖精 0.6 香豆素 0.1 3.2.4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99.9%的电解镍板做阳极，在使用前经稀盐酸浸泡，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pH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，金属离子还原成金属形成镀层及其它的还原反应， 20 如氢气形成于金属阴极上。镀件应在不重要的部分如背面、孔洞、幽蔽处连接电流。 3.2.5电镀工艺规范 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、以及电镀溶液的组成和电镀过程的主要工艺 [14]参数。对于电镀金刚石砂轮来说，通常要求镀层金属强度高，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。 电镀层是在一定的条件下一定形式的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、pH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;考虑到镀层的性能 [15]和能耗，镀液还应具备较高的电流效率。 电镀液的pH值对电沉积过程及镀层质量有较大影响。pH值高的电镀液，其分散能 2+力好，电流效率高。但过高，将促使Ni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。pH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pH值在4.5-5范围内。 镀液温度影响电镀时电流密度的上限位、沉积速度以及镀层内应力等，对镀层质量有一定影响。镀液温度升高，会提高离子的运动速度，同时也使一部分未离解的盐分子逐渐分解为离子，这样镀液中离子数量便增多，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)，电镀时就可以增大电流密度。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40-50?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 21 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 [16-18]而使沉积层中氢含量增多，导致镀层发脆(氢脆)和硬度过高。在电镀的不同阶段电 2流密度是不相同的。本实验所采用的电流密度范围在2-3A/dm内。 总之，镀液的pH值、电流密度和温度都选用偏低—些，主要是使镀层组织晶粒细小，氢含量少，具有足够的强度和韧性，同时外观也平整。 3.2.6施镀 在电镀中，一般都仅使用直流电流。交流电流，因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，在到外导线，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中如图3.6所示。阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。 2+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Ni-2e=Ni;阴极2+Ni+2e=Ni。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。 图3.6 镀镍电路示意 3.2.7实验结果 在严格按表3-2的成分制作镀液与电镀工艺规范反复多次进行实验的条件下，得到的基体上镀有的金刚石依然存在覆盖不均匀，结合力不强、个别地方有起瘤及有应当镀而没镀上的部位等缺陷，如图3.7所示。 22 (a)正视图 (b)俯视图 图3.7 电镀金刚石工具外观 3.2.8微观分析 用超景深三维显微系统对样品进行微观分析，得到的结果如图3.8所示。 (a)覆盖不均匀 (b)结构疏松 (c)布料残留 (d)起瘤 23 (e)气孔 (f)没镀上 (g)粘结不牢靠，金刚石已脱落 (h)一般凹坑 (i)阶梯状八面体金刚石 (j)立方体金刚石 图3.8 电镀金刚石微观形态 24 电镀金刚石砂轮在制造过程中牵涉多道工序, 任何一道工序进行得不充分, 都会造成砂轮不理想，回顾多次的试验过程， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了以下的6个可能: (1)在电镀过程中基体的表面出现气泡。因为要让金刚石颗粒顺利镀上就需要用布料把金刚石包裹在基体的表面，这样气体就不可避免的存在了。刚放入镀液时，基体表面的有一小部分气体跑不出来，所以，在这些表面中由于气体的隔绝，不能实现电镀镍; (2)在基体的边缘，包裹的布料与基体本身发生了化学反应粘连在一起了，使布料有残留，这是一个不可避免的缺陷，因为在包裹的时候布料与基体的边缘是直接接触的，在镀液中它们之间也就发生了化学反应; (3)在电镀过程中，流经基体表面与金刚石直接的镀液是不均匀的造成有的地方结合力太小金刚石脱落; (4)在包裹的过程中，手上油污不可避免对金刚石与基体表面造成污染，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，这样基体的表面缺陷面就比较大; (5)在工业生产中，金刚石颗粒在结晶过程中有触媒金属残留在金刚石颗粒中，从而一般工业金刚石都或多或少的带有磁性。因此，受金刚石磁性的影响金属离子定向沉积，有些区域就优先沉积金属而高于周围其他部位形成了小镍瘤。 25 4结论与展望 本文通过反复多次制造电镀金刚石砂轮，研究电镀金刚石工具的工艺参数、微观结构和使用性能，得出以下主要结论: (1)在电镀法制备金刚石工具时, 金刚石微粒与基体结合强度主要取决于电镀工艺条件; (2)金刚石的磁性、气泡等对形成优质的砂轮表面有严重的负面影响; (3)自动化的电镀对提高砂轮的质量有莫大的帮助。 由于研究时间和本人能力的限制，本课题还有许多需要完善之处，本人认为有必要在以下几个方面进一步深入开展研究: (1)进一步研究金刚石颗粒与钢基体材料之间的相互作用，用电镀的方法制备出更高性能及更长寿命的金刚石工具; (2)进一步在制造金刚石工具的过程中尽量实现自动化，避免直接的手工操作，保持电镀环境的清洁，这样有利于生产出优质的金刚石砂轮; (3)进一步分析镍瘤的形成原因和解决办法，彻底消除由于镍瘤所造成的加工效率、加工精度的降低。 26 参考文献 [1] 郭志猛，宋月清，陈宏霞等. 超硬材料与工具[M]. 北京:冶金工业出版社，1996:12-22. 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