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　　摘　要:介绍了复合电镀(Ni-Co-Mn)-金刚石复合镀层工艺、溶液配方、设定思路以及镶嵌镀加工现场注意要点,采用(Ni-Co-Mn)-金刚石复合镀层的切削、磨削工具在磨削切削硬度高的石材时,较目前普遍使用的Ni-Co合金为基质金属耐磨性提高,提供了镶嵌较高品级金刚石的基质金属在工具使用中匹配消耗,延长使用寿命。Ni-Co-Mn合金镀层中w(Mn)为0.1%以下时便可将合金中w(Co)从22%以上降到4%左右,节省了约80%价格昂贵的Co。由于Mn的引入引起韧性变劣,可通过添加剂满足Ni-Co-Mn合金对延展性的要求。

       关　键　词:复合电镀;(Ni-Co-Mn)-金刚石复合镀层;延展性;使用寿命

       引　言

       金刚石工具是在预先加工成型且形状各异的金属基体表面,用复合电镀的方法镶嵌一层(表镶)或多层(孕镶)金刚石颗粒而制成,如金刚石磨具和钻具。在生产现场将复合镀层中的基质金属称作胎体,最常用的为Ni、Ni-Co、Ni-Fe和Ni-Mn合金以及近年来引起重视的Ni-Co-Mn合金。胎体各具特性,在制造复合电镀金刚石工具时对复合镀层的硬度、平整性、金刚石与基质金属间的结合力及使用寿命有很高的要求,一般多采用w(Co)为30%以下的Ni-Co合金做基质金属。

       Ni-Co合金胎体中的Co是以向镀液中添加CoSO4·7H2O实现的,为了保证胎体的韧性和其对金刚石的结合强度,Co的补充应控制在稳定范围内,使镀层中w(Co)在22%左右。在加工一些硬度较高的材料时选用品级较高的金刚石以提高磨削、切削能力。但往往出现因操作中磨屑的反磨削力增大造成胎体不能与金刚石匹配,提早被磨损,导致相当一部分金刚石颗粒脱落,使工具工作效率下降以致提早报废。为此许多金刚石复合镀层制品从业者做了大量工作,Ni-Co-Mn三元合金胎体的引入是研究的一个方向。

       1　两种基质金属的比较

       含有极少量Mn的Ni-Co-Mn合金胎体的硬度相当于w(Co)为30%的Ni-Co合金胎体,但Mn的加入使胎体的延展性急剧下降,在实践中采用d=3mm圆钢按常规工艺方法孕镶二遍品级较高的(MBD8)金刚石颗粒,Ni-Co-Mn胎体的耐磨性和使用寿命较Ni-Co胎体有很大提高。但经敲击镀覆部位出现片状或块状的爆裂,资料[1,2]介绍加入韧化剂后胎体延展性得以改善,基本上与多年使用的Ni-Co合金胎体相当,能经受标准中规定的复合电镀金刚石镀层结合力的检验。对于改善胎体延展性的韧化剂其机理目前尚未获得确切的解释,采用资料中推荐的Ni(HCOO)2·2H2O作韧化剂系进口产品,且价格极高(报价1370元/kg),于是自行合成韧化剂并按一定比例加入镀液中,与Ni-Co合金镀液同时作同一工件镶嵌不同品级金刚石的对比试件。试件为d=3mm钢十字端平头钻孔棒。控制胎体中w(Co)为23%的Ni-Co合金和w(Co)为4%、w(Mn)为0.1%的Ni-Co-Mn合金。分别在二种镀液内同时镶嵌镀d=125~150μm的MBD6及MBD8二个品级的金刚石,采用完全一样的工艺制作。

       根据用户在加工石材作对比表明:在Ni-Co合金镀液中镀出的MBD6品级试件钻削工具使用率较MBD8品级试件钻削工具低近20%,而在后者钻削的磨屑中可见脱落的金刚石颗粒,工具上有凹陷部位。在Ni-Co-Mn合金镀液中镀出的MBD6品级试件钻削工具使用率与在Ni-Co镀液中镀出的MBD6品级的试件接近,但随钻削的进行钻削速度变缓,金刚石刃口被磨平,MBD8品级试件钻削使用率较MBD6试件高30%以上,无金刚石脱落现象。由此可以认为Ni-Co-Mn合金胎体硬度高于Ni-Co合金胎体,对金刚石的包覆能力及工具使用寿命满足了用户的要求。

       Ni(HCOO)2·2H2O因用量较大且制作又相当麻烦,经实验选用了配方中的添加剂代替,取得了同样的效果,批量生产的工具供用户加工相应石材,反馈信息表明与试验样件无异。

       2　复合电镀(Ni-Co-Mn)-金刚石工艺

       2.1　镀液配方与工艺条件

       复合电镀(Ni-Co-Mn)-金刚石复合镀层镀液配方及工艺条件如下:

       2.2　镀液组成及工艺条件的影响

       1)预镀、上砂及加厚镀采用同一溶液。

       2)开缸配制溶液中主要成分影响三元合金胎体金属含量,只要准确依照消耗电量及时补加Co与Mn盐镀液较为稳定。

       3)阳极活化剂不宜用NaCl代替NiCl2·6H2O,以消除Na+对镀层的不利影响。

       4)由于磨料参与共沉积,与一般电镀金属镀层对镀液分散能力、结晶细化及整平性能特别是镀层的延展性提出了更高的要求,为此在使用1,4-丁炔二醇及糖精为主的添加剂基础上,经实验遴选了烯丙基磺酸钠与丙烷磺酸吡啶钅翁盐镀镍中间体加入镀液。

       5)稀土元素加入使镀层结晶致密细化,利于提高镀层硬度,整平性及镀液深镀能力明显提高,这些特性符合复合电镀金刚石工具对胎体的需求,选用了目前已工业化生产的998A稀土镀镍添加剂。

       6)由于Mn进入胎体带来的脆性增加是(Ni-Co-Mn)-金刚石镶嵌镀能否工业化生产的关键,极少量Mn[w(Mn)≯0.1%]的加入提高镀层耐磨性与高品级金刚石同步磨耗,延长了工具的使用寿命,但Mn也使镀层脆性急剧增加,配方中选用了某有机酸盐和无机酸改善胎体韧性,从而保证延展性与w(Co)为22%以上的Ni-Co合金胎体相近。

       7)pH在复合镀液中很大程度上影响着镀层质量,出于对镀液分散能力及镀层硬度考虑,选用pH5.0~5.6[3,4],实践中发现pH4.4~4.6较为适合,沉积速度、镀层光亮程度及镀液维持正常使用周期都是理想的,当槽液pH达5.2以上时,不仅溶液易混浊且在埋砂法上砂时限制了Jκ上限,容易形成氢氧化镍沉淀粘附在受镀面上。

       8)阴极电流密度在预镀、上砂及加厚镀时不能一成不变,预镀时可达1.2A/dm2以上,对于d平均=49μm(270/325粒度)的金刚石上砂时Jκ≯0.5A/dm2,而加厚镀时出砂槽的初始阶段无论粒径大小也以Jκ≯0.5A/dm2为宜,否则会将粘附不牢的金刚石颗粒被析出的氢气从砂层上吹落。由于金刚石颗粒在复合镀层的占位,随着加厚时间的推移,真实面积呈由大到小再渐而增大的变化(见图1),故给电方式亦应适时调整,使受镀工件在整个加厚镀过程中Jκ尽量接近预设值。

       采用较低电流密度复合镀,是获得结晶细化、工件能均匀受镀的条件。

       3　复合镀中的三个关键步骤

       3.1　预　镀

       复合电镀金刚石工具常用基体材料一般是普通碳钢、65Mn钢和不锈钢,其表面的物理机械性能往往是不均匀的,为了保证镶嵌在胎体内的金刚石颗粒在磨削压力作用下不致因受力不均刺插到基体表层引起整个复合镀层爆裂,使部分金刚石颗粒从复合镀层中脱落,所以在上砂前必须在基体上预镀一薄镀层,依据待镶金刚石颗粒平均粒径,选择相应的预镀层厚度,如d平均为49μm的金刚石,预镀层厚度为3~5μm,d平均为196μm的金刚石预镀层厚度以10~15μm为宜。预镀的前处理视基体材质的不同工艺操作要求亦不一样,在此不做赘述。需强调的是基体表面完全活化后带电入槽预镀是提高镀层结合力的保证。

       3.2　上　砂

       一般加工玉雕的磨具钻具形状繁杂,尺寸各异,大都采用埋砂法,给工具基体上粘上一层金刚石,即将固定于夹具上的待镀件预镀后,置于盛有金刚石,溶液可以自由流通的非金属砂槽内,在镀液中依金刚石的平均粒径,电镀时间,使金刚石被镶于工件表面,一般掌握嵌入率达到10%左右即可,嵌入率太低,对金刚石的粘附欠牢,加厚镀时易被吹落,过厚则易“糊”活,且往往会使磨粒搭桥架空,在加厚镀时覆盖在工具上的金属镀层,在磨削时将在该处造成爆裂。镶砂的Jκ应依据金刚石平均粒径控制,如金刚石颗粒d为49μm的上砂Jκ用0.5A/dm2电镀25~30min,金刚石颗粒d为196μm的上砂Jκ用0.75A/dm2电镀60min为常用,以使金刚石尽可能单层均布于待镶工作部位。

       3.3　加厚镀

       上砂完成后工件自砂槽内取出,将表面浮砂轻轻冲至砂槽内,立即带电转入镀液内进行加厚镀,初始阶段用较低Jκ施镀,避免因析氢将粘附未牢的金刚石吹落或浮起,随后依设定值逐渐提高Jκ至接近金刚石平均粒径40%左右的厚度时,应降低Jκ,镀层厚度达平均粒径60%左右时,再渐次提高Jκ,依工件要求的包覆程度出槽,即随实际受镀面积的增减调整Jκ,对于孕镶工具当嵌入率达到55%~65%时进行下一次上砂,以保证叠加砂层的结合力。

       4　镀液维护管理

       4.1　镀液中原料补加及工艺控制根据消耗电量(用安培小时计控制),将Co盐和Mn盐按一定质量浓度配成的合剂与BOZ、BSI、PPS、ALS和998A按一定质量浓度配成的单一添加剂,适时定量添加于镀液中,随时保持镀液工作温度和pH,特别注意砂槽内镀液及时更新,以保持与整槽镀液一致。

       4.2　镀液维护与金刚石处理

       1)严防异金属离子特别是Cu2+带入镀液,镀液无需经常做除杂处理,只要按使用周期过滤,消除有机添加剂的分解产物与三价铁便可。

       2)定期化验主要成分并调整,对于目前尚不做化验的添加剂可参照ρ(Ni2+)及ρ(H3BO3)调整适量补加。

       3)新购入的金刚石应作吸磁处理,将残留的磁晶吸出,再用与该粒度接近的筛网将粗晶与细晶分出,然后用碱液及酸液清洗,并用水冲洗干净备用。过滤镀液清理落入槽内的金刚石可用H2SO4清除粘附其表面的杂质,经水洗烘干吸除混在一起的镍渣然后作筛分处理,分别保存在含有润湿剂的溶液内,不可干态存放。

       5　结　语

       经过一年多生产,复合电镀(Ni-Co-Mn)-金刚石工具的耐磨性与使用寿命已达到加工硬质石材的要求,得到用户认可,胎体内w(Co)从22%下降为4.5%,节省了80%的CoSO4·7H2O。镀液成分较Ni-Co合金镀液略为复杂。光亮剂及稀土添加剂对维持镀液整平性,提高对金刚石包覆能力及辅助提高胎体硬度起着很大的作用。实践表明:只要按正常维护镀液方法管理,镀液工作是稳定的。解决胎体因Mn而导致的延展性变劣可加入适当添加剂改善,这是实现Ni-Co-Mn三元合金基质金属用于复合镀的不可或缺前提。目前虽已投入正式生产,但还有待时间的验证,以发现新问题及寻求更进一步提高胎体延展性和使用寿命的途径,不断扩大使用范围。

       参考文献

       [1]　陈天玉.镀镍合金[M].北京:化学工业出版社,2007.28-29,33,211.

       [2]　郭鹤桐,张三元.复合电镀技术[M].北京:化学工业出版社,2007.289.

       [3]　孙毓超,刘一波,王秦生.金刚石工具与金属学基础[M].北京:中国建材工业出版社,1999.327.

       [4]　方啸虎.超硬材料科学与技术[M].北京:中国建材工业出版社,1998.232.