采用旋转电极的金刚石滚镀技术及其应用研究

【摘要】：金刚石是目前自然界中已知最硬的物质,把金刚石作为切削材料制成的金刚石磨料工具与普通磨料工具相比具有锋利度高、加工能力强、形面精度保持性好、可靠性高等优点,广泛应用于汽车制造、航空航天、精密零件、光学仪器等众多领域。利用表面镀覆技术使金刚石表面包裹一层金属外衣,能有效提高金刚石磨粒与结合剂的结合强度,改善由于环境温度过高引起的金刚石表面氧化和石墨化的现象。目前,常用的镀覆技术主要有化学镀、电镀、磁控溅射镀、原子层沉积镀等。但现行的镀覆技术依然存在细粒度金刚石难以镀覆、漏镀、镀层较薄、镀层不均匀和效率低的问题。因此,探索更高效、镀层更均匀的金刚石表面镀覆技术是一直追求的目标。本项目开发一种基于旋转电极的金刚石滚镀电镀镀覆技术,即在滚镀过程中使阴极旋转,从而增加磨粒的分散能力和颗粒间电的均匀导通率,由此提高金刚石电镀镀覆效率、改善镀覆层不均匀的问题。本项目对相关的滚镀机理、装置及基本工艺等进行了系统研究,同时对滚镀前的金刚石表面金属化方法及工艺也进行了研究,成果形成了金刚石表面镀覆金属镍的完整工艺系统,对促进金刚石磨料镀覆技术的发展具有一定意义。具体研究成果如下:1.旋转电极滚镀机理的探究建立了滚镀过程中金刚石颗粒与旋转电极的接触模型及金刚石磨粒的力学模型,通过对细粒度磨粒进行力学和运动学分析,得到了磨粒在镀液流体中的动力学方程,揭示了旋转电极滚镀法的镀覆机理及主要影响因素的基本规律。2.旋转电极滚镀试验装置的设计制造根据滚镀机理,设计制造了电极可以旋转、镀液瓶可以回转的滚镀试验装置,可以实现对镀液瓶转速,旋转电极转速、转向等关键工艺因素的控制,为开展旋转电极滚镀试验研究奠定了基础。3.金刚石表面金属化采用化学镀工艺,开展了金刚石表面镀覆镍、银两种金属的试验研究。通过单因素试验得到化学镀镍的最佳工艺组合为:温度90℃、PH=4.7、镀覆时间1.5 h、搅拌速度200 r/min、金刚石装载量10 g/L、活化剂质量分数30%,获得的金刚石增重率为24.2%,镀层Ni含量为61.25%。化学镀银的最佳工艺组合为:温度20℃、PH=9.0、镀覆时间2.0 h、搅拌速度200 r/min、金刚石装载量10 g/L、活化剂浓度4 g/L,获得的金刚石增重率为16.6%,镀层Ag含量为54.68%。4.滚镀电镀液成分的选择与优化对氨基磺酸镍主盐镀液、硫酸镍主盐镀液和硫酸镍-氯化镍主盐镀液的镀层综合性能进行了试验研究,通过分析试验结果,确定氨基磺酸镍主盐电镀液为最佳金刚石滚镀电镀液。得到优化的氨基磺酸镍主盐镀液成分和工艺为:Ni Cl_4·6H_2O(70～90)g/L,Ni(NH_2SO_3)_2·4H_2O(300～550)g/L,H_3BO_3(30～45)g/L;电流密度为2 A/dm~2,温度为50℃,PH=4.5时可获得最优的镀层性能,此时的镀层硬度和镀层沉积速率分别为HV257和27.8μm/h,均为最优值。5.采用旋转电极的金刚石滚镀镍基础工艺试验研究采用正交试验的方法研究了金刚石粒度、滚镀电流、电极转速和阴极转子直径对金刚石表面镀层沉积速率和表面形貌的影响,结果表明各影响因素的主次关系为:滚镀电流阴极转速金刚石粒度阴极转子直径。以滚镀粒度为70/80的金刚石为例,滚镀电流4 A、阴极转速20 r/min、阴极转子直径30 mm且电极与镀瓶异向旋转为最佳工艺条件。该工艺条件下,金刚石表面镀层致密均匀,镀层沉积速率为2.42 g/h。同时进行了旋转电极与普通电极的镀覆比较试验,结果表明旋转电极滚镀镀覆法由于电极旋转对磨粒的有效接触面积大大增加,可以一次性镀覆更多的磨料,大大提高了金刚石滚镀的效率和经济性;通过分析镀覆后磨粒表面的镀层微观形貌,发现旋转电极滚镀法的镀层更加细腻平整。6.细粒度金刚石的旋转电极滚镀技术研究在前期工作的基础上,开展了细粒度金刚石的旋转电极滚镀技术研究。依据旋转电极滚镀机理,探究了镀液瓶转速和电极转速二者之间的关系,以及对金刚石增重率和金刚石表面形貌等镀覆效果的影响。试验结果表明:对于细粒度金刚石微粉而言,增重率随粒径的减小而降低;随着粒度变细磨粒的悬浮性增强,应加大旋转电极的转速;旋转电极滚镀法可以将被镀金刚石颗粒的粒径范围下探至5μm左右。