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不同类型电镀金刚石工具的研发与应用

郑州磨料磨具磨削研究所  王光祖

河南凯纳精密工具有限公司张奎  王福山

        01金刚石砂带

        金刚石电镀砂带是指以电镀镍金属作为结合剂，精选金刚石粉为磨料，由背衬材料、挠性金属基材及有序排布金刚石镀层三个部分组成，背衬材料和柔性金属基材粘结成环形的一种新型超硬涂附磨具产品。与普通磨料砂带相比，具有超硬材料的“硬”和涂附磨具“柔”’的双重特性，其工作层表面有序排布磨削小单元之间的缝隙形成了较大容屑空间，有利于散热，提高了加工质量，砂带柔韧性及排屑的能力，在使用过程中同时具有粉尘少，噪音低的环保优势。

        现代工业发展中，金刚石电镀砂带以多面刀刃的特殊结构，在工业生产中广泛应用，并享有“万能磨削”的美称誉。随着对工件质量要求的逐渐提高，原有砂带工艺的加工已不能满足严格的标准要求，在工业发达国家，金刚石电镀砂带早已普遍应用于玻璃、石材、陶瓷、复合材料、航天航空、硅材料等硬脆材料的磨抛加工。

        肖乐银、王进保等通过研究得到了如下结果：可以根据用户的要求制造各种粒度和尺寸规格的产品，同时磨片、手持块和砂圈等各种异形产品繁多，所有产品均可在有水或无水状态下使用，磨削性能卓越，应用面广，性价比高。同时，由于镍镀层对磨料有比较强的把持力，使电镀砂带拓展于cBN领域成为可能，相对金刚石磨料，cBN砂带可应用于钢铁、铁合金等含铁族元素难加工材料的磨抛，特别是高碳钢、合金钢、淬火钢等高硬度钢材表面研磨和抛光，以及要求自动控制、精密与超精密研抛的场合。

        因此，随着国家高效高精加工要求的提高以及加强环境保护的迫切要求，加之超硬材料行业设备和产品开发水平的不断提高，金刚石电镀砂带将有广阔的应用空间和发展前景。

       02.金刚石线锯

       从20世纪90年代中期开始，由于线锯加工的切缝窄、厚度均匀、翘曲度较低，而被广泛应用于单晶硅等贵重硬脆材料的加工。根据线锯结合剂种类的不同，线锯主要分为游离磨料和固结磨料两类。游离磨料线切割加工在工业切割领域表现稳定，在光伏产业大尺寸硅片切割领域广泛应用，但其存在加工效率较低且不利于加工更硬的材料、磨浆污染环境严重等问题，因而严重制约了该技术的进一步发展。随着生产的发展，游离磨料线切割技术逐渐被固结磨料线锯切割技术所替代，而其磨料一般采用金刚石。电镀金刚石线锯是一种在镀液中添加一定的金刚石磨料，当镀液中的金属离子在阴极还原成金属，沉积在线锯基体上时，金刚石微粒被包覆进入镀层而成的线性线锯切工具。其比原来的游离磨粒具有更高的耐磨性，同时能够承受较大的切削力和较长的切削时间。

       金刚石线切割又分为往复式和环形式，往复式金刚石线锯相对于传统的锯片更加细，直径一般不超过0.3mm，切缝很小，但是用于切割更高硬度的脆性材料，往复式金刚石线的切割效率非常低，进刀速度低于0.5mm/min，相对于传统加工没有明显的速度优势。由于进刀速度慢，也难以满足YAG晶体加工的高效率的要求。目前，工业上比较先进的方式还是环形金刚石线切割。

       金刚石电镀环形线，它的线速度最高可达50m/s，金刚石线直径0.7mm，金刚石线总长4000mm，相对于往复式，环形式金刚石线是往复式的2--3倍，加上金刚石线的直径大，可承受的拉力更大，进刀速度可以更快，虽然切缝大(0.8-0.9之间)，和传统的锯片切割机的切缝基本一样，但是切割效率得到极大的提高。理论上，高效率的磨削切割，同时意味着快速的磨损，金刚石线同样很快磨损直至金刚石磨粒被耗尽。

       随着电镀金刚石线锯的不断发展，其性能得到了进一步的开发与利用，很多学者对此进行不同的尝试。

       比如王敬等制备了具有绞合钢线芯的三丝绞合电镀金刚石线锯，通过实验发现，三丝绞合电镀金刚石线切割时的线弓明显小于单线电镀金刚石线锯，具有磨损小、切割能力强、使用寿命长等优点。

       Inoue.makoto开发了一种新型可切割硬质材料的线锯，其第一层为用焊锡把金刚石磨料暂时固定在黄铜涂层的钢丝上，第二层镀镍加固，当用该线锯切割蓝宝石时切割面各项性能都非常好。

       Gao独自设计的具有一定生产效率的金刚石线锯可成功切割海底输油管，并对其各项工艺参数间的相互关系进行了研究。金刚石线锯在切割硅锭时，在切口处会有损失，对硅材料造成浪费，而利用氢镍发生的化学反应的工艺可以很好的回收切口处损失的硅。

       中国有色桂林矿产地质研究院可采用多条环形金刚石线锯排成纵横的网状线切割多晶硅，可有效利用环形金刚石线锯单方向、无惯性力、高速运动的特性使加工效率提高几倍。

       长沙岱勒新材料科技股份有限公司利用牵引装置，牵引金刚石线锯依次穿过退镍槽、金刚石拉丝模，进行退镍和剥离金刚石，可有效地回收金刚石，该发明处理过程效率高、剥离完全且整个过程造成的损失很小。

       03.金刚石滚轮

       作为成形磨削必备的修整工具，各类金刚石滚轮的诞生推进了深切缓进给强力磨削技术的快速发展。因具有修整时间短、使用寿命长、修整精度高、加工零件一致性好等优点，金刚石滚轮广泛用于汽车、航天航空、军工等行业。随着被加工零件复杂程度不断提高，越来越复杂的滚轮应运而生。

       国内镀法制造的金刚石滚轮精度可达5um，，电镀金刚石滚轮的工作层是电镀层，电镀层是Ni-金刚石复合电镀，该复合层的质量直接决定滚轮的质量。电镀层的质量控制包括机械性能控制和对固结磨料能力控制。电镀层机械性能是指镀层的应力和硬度，电镀层内应力过大会使滚轮出现裂纹、掉块，硬度过低会降低沉积层对金刚石的把持能力，导致金刚石磨粒过早脱落，降低使用寿命。而且由于其特殊性，电镀时阳极和型腔距离接近，尖端效应严重，当近阳极的厚度是磨料尺寸的好几倍时，远阳极位置的镍层还未将磨粒完全包裹住，各位置厚度严重不均匀，这大大延长了滚轮的电镀时间，降低了滚轮的电镀效率。

       李媛媛、王永宝等针对传统电镀金刚石滚轮出现缺砂、掉块等质量问题，将优异的氨基磺酸镍电镀液体系引入电镀金刚石滚轮的电镀中，用正交实验法研究了氯化镍、硬化剂和整平剂对镀层硬度、应力及厚度一致性的影响。

       04.金刚石钻头

       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钢体上形成牢固耐磨的工作层（胎体）而制成的钻头。电镀金刚石钻头存在内外径磨损较快、与工作层的磨损不相适应等问题，明显影响了钻头的使用效果，缩小了钻头的使用范围。因此，杨展等人提出了解决问题的方法。

       4.1螺旋形水糟和半底喷式结构

       螺旋形外水槽能提高钻井液的上升速度，有利于冷却钻头和清洗孔底，也有利于减少岩粉在钻头外径部位停留时间，更重要的是钻头的保径部分也呈螺旋形状，钻头回转钻进时与孔壁的接触由直线接触变为螺旋线接触，接触面积增大，钻头旋转变得平稳了，外径的磨损将减少。

       4.2聚晶保径规保径钻头

       聚晶保径规保径钻头，这种电镀钻头的保径方法是采用聚晶，先在钻头的内外径部位铣出嵌镶聚晶的直槽，然后将聚晶嵌牢在直糟里，聚晶嵌入槽内约三分之二的高度。之后再置于镀槽内加金刚石复合镀，直到复合镀层与聚晶平面一致，并达到钻头的内外径规格，电镀内外保径层即完成。应用这种方法制造的电镀金刚石钻头，在河南灵保金矿使用，其保径效果很好，在大陆学科钻探工程中，采用该方法保径的电镀φ157mm金刚石钻头，使用了 14个钻头均获得成功。

       4.3内外径和底唇面分开电镀

       钻头入槽后改变原有的电镀工艺，先镀一层镍合金(约电30min)，然后套上内外模具，接着电镀底唇面工作层。待底唇面工作层高度满足后，取出内外径模具，出槽活化后重新入槽电镀，加金刚石复合电镀内外径，直到内外径规格。

       采用这种方法保径可以达到的效果，主要有以下两方面原因:

       (1)内外径是连续的保径层，不会出现过去那种在套上模具后内外径薄弱的现象，也不会出现套模前后之间的薄弱环形带

       (2)不套模具电镀内外径，有利于氢气溢出，大大减少了针孔现象，减少氢脆，同时，钻头的内外径规范一致，因此能提高内外径的耐磨性。

       4.4跟模电镀

       跟模电镀就是钻头活化入槽后，先镀好内外径并套上内外模具，但这时模具的上平面应该略高于钻头底唇面工作层，随着工作层增高，内外模具随之向上移动，一直电镀到工作层的设计高度为止。

       这种跟电镀方法的优点就是，电镀过程中的氢气泡容易溢出，可以减少电镀层中的针孔，特别是靠近内外模壁电镀层中的针孔大大减少，致密度明显得到改善，钻头底唇面上的性能一致。所以，钻头的保径能力得到提高，钻头的使用寿命也随之延长。

       4.5电镀镍钴锰合金的胎体

       镍钴锰胎体金刚石钻头具有比镍钴或镍锰胎体钻头更好的耐磨性和对岩石的适应性，由于其耐磨性明显提高，所以保径效果也相应得到提高。