材料研究学报
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浅议电镀金刚石工具胎体材料改进方法

  论文导读:电镀金刚石工具中,镀层对金刚石起支撑和结合作用,被称为胎体或基质金属,它决定着金刚石颗粒能否充分发挥切削作用,一般要求它满足高硬度、高耐磨性和较高的韧性等性能要求,所以人们首先考虑到采用提高胎体材料的性能方法,改进金刚石工具。钴不仅能提高镍金属的强度(镍钴合金的胎体抗压强度为1600MPa),而且能提高胎体金属的抗热性能,在800℃时的Ni-Co二元合金胎体金属强度极限为500MPa,还能提高胎体金属的韧性。

  关键词:金刚石工具,胎体,改进方法

  电镀金刚石工具中,镀层对金刚石起支撑和结合作用,被称为胎体或基质金属,它决定着金刚石颗粒能否充分发挥切削作用,一般要求它满足高硬度、高耐磨性和较高的韧性等性能要求,所以人们首先考虑到采用提高胎体材料的性能方法,改进金刚石工具。

  1.胎体金属的合金化

  虽然单一镀层(如镍)具有较高的强度,特别是韧性,但是一般硬度较低,因而人们多采用合金镀层。

  1.1Ni-Co 二元合金镀层

  钴不仅能提高镍金属的强度(镍钴合金的胎体抗压强度为1600MPa),而且能提高胎体金属的抗热性能,在800℃时的Ni-Co 二元合金胎体金属强度极限为500MPa,还能提高胎体金属的韧性。因而Ni-Co 二元合金镀层成为广为采用的胎体材料,然而有时Ni-Co 二元合金镀层的硬度仍是不足,在加工坚硬且研磨性极强的材料时, 胎体消耗很快。而且Ni-Co 镀层只有在钴含量达到约30% 时,才能保证较高的硬度及耐磨性,大量昂贵的金属钴增加了成本。

  1.2Ni-Mn 二元合金镀层

  金属锰比钴更能提高镍胎体硬度、强度和耐磨性。镍锰胎体硬度比镍钴胎体硬度提高洛氏(HRC)10 度左右。合金中锰的含量虽然很少,但对胎体性能影响很大。镍锰胎体金刚石钻头在坚硬强研磨性地层钻进时, 平均寿命和时效分别比镍钴胎体钻头提高55%和30% , 同时, 镍锰胎体钻头不需高转速、大压力, 有利于减少材料的消耗, 降低钻探成本。但是Ni-Mn 二元合金镀层脆性较高,易开裂,使工作层易于碎裂。

  1.3Ni-Co-Mn 三元合金镀层

  Ni-Co-Mn三元合金镀层具有更高的综合机械性能。硬度比Ni-Co 高,脆性又比Ni-Mn低,正符合电镀金刚石制品对胎体的要求。采用Ni-Co-Mn 三元合金镀层制作的石材工具比采用Ni-Co 二元合金镀层制品更加锋利,更加耐用,特别对硬质石材,更能显示出优势。因节约大量昂贵材料钴,Ni-Co-Mn 三元合金镀层成本低。Ni-Co-Mn 三元合金镀层的机械性能可在大范围内进行调整,满足更广泛场合的需求。但在获得Ni-Co-Mn 三元合金镀层时,镀液成分复杂,稳定性不易控制。论文格式。

  2.胎体金属的复合化

  复合镀层是通过共沉积的方法,将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀地夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层。由于复合镀层内均匀的弥散着大量固体微粒,这些硬质微粒,会对晶粒之间的滑移产生很大的阻碍作用,使金属获得有效的强化。

  2.1Ni-Co-细粒金刚石复合镀层

  在镀液中加入适量的纳米金刚石粉,获得的Ni-Co-金刚石复合镀层的硬度明显提高,硬度可达601.53HV,摩擦磨损性能显著提高:镍钴合金镀层的摩擦系数为0.35 左右,寿命在摩擦半径为14mm 时平均为0.022km;含纳米金刚石粉的Ni-Co-diamond 复合镀层摩擦系数为0.3 左右,镀层寿命在摩擦半径为14mm 时为0.15km。用Ni-Co-diamond 复合镀层作金刚石钻头胎体,制备的金刚石钻头在坚硬、强研磨性地层中钻进,耐磨性好,钻头进尺快,寿命长,且能防止孔斜。由于超细金刚石粉体极易团聚,使其效能无法充分发挥,所以要采取措施对金刚石粉进行分散。这样必然制约了超细粉体的使用价值和应用前景。

  2.2Ni-Co-稀土元素复合镀层

  少量的稀土化合物的加入可使镀液和镀层性能得到不同程度的改善,在电沉积过程中,主要是阳离子吸附在金属沉积物表面上,而稀土金属离子在电极上表现出较强的吸附性,稀土金属离子易于吸附在晶体生长的活性点上, 即吸附在晶面的生长点上,有效地抑制晶体的生长,所以在镀液中添加稀土元素后,能得到晶粒细小的镀层。用万能外圆磨床M1420E 通过对亮镍镀层和加入稀土元素的亮镍镀层金刚石工具磨削陶瓷的磨削试验研究,稀土元素的加入提高了金刚石工具的磨削比。亮镍镀层金刚石工具耐磨性差,胎体消耗快,不能保证金刚石的高出刃,金刚石脱落快;添加稀土的亮镍结合剂工具胎体耐磨性提高,对金刚石包镶较好,金刚石出刃高度大,因此工具的使用效率得到提高。

  2.3Ni-Co-纳米碳管复合镀层

  碳纳米管(CNTs)具有超高的强度和韧性,作为高级复合材料的增强体,可极大地改善复合材料的强度和韧性。此外,CNTs 还有化学稳定性好、摩擦因数低的特性,有望制备具有高耐磨、减磨和耐腐蚀等性能的新一类复合镀层。通过观察复合镀层的SEM 形貌的,基体表面被一层浓密的碳纳米管覆盖着,这些碳纳米管的一端深深地嵌镶于基体中,而另一端暴露于基体外, 显然可以对基体起到保护作用。论文格式。本实验室正致力于采用该复合镀层制备电镀金刚石工具的研究。

  3.胎体金属的晶粒细化

  镀层的结晶过程受制于晶核形成速率与晶粒生长速率。晶核形成速率越快,晶粒生长速率越慢,从而结晶越细,镀层就越致密,硬度和韧性也就越好。按照电化学理论,阴极电化学极化过电位越大,则越易形成晶核,从而结晶越细,镀层就越致密。因而人们采用提高电化学极化过电位,细化晶粒,达到改进胎体材料的目的。

  3.1细化添加剂

  添加剂加入电解液后,它在电极表面上的吸附,增加了电化学极化,被覆盖的晶粒停止生长,产生新的晶核;新晶粒不久又被覆盖,再产生新的结核中心,于是能获得细致的结晶。其次,添加剂在晶体表面上吸附能降低晶体的表面能,因而可以降低微晶的形成,这有利于形成新晶核。细化添加剂主要是磺酸类、亚磺酸类、磺酰胺类、二磺酸类等,例如:糖精、对甲苯磺酰胺、苯亚磺酸、苯磺酸、萘而磺酸钠等。可以从加入芳香酮类物质添加剂前后镀层表面的形貌发现,加入添加剂前的晶粒颗粒较大,而且颗粒结晶度较差,晶粒松散,加入添加剂后,晶粒颗粒明显变小,而且结晶致密。

  3.2超声波法

  利用超声波能使物质作激烈的强迫机械振动,还能产生单向力的作用。当一定频率的超声波通过液体时,尺寸适当的小气泡发生共振。在超声波的稀疏阶段,小泡迅速膨胀变大;在稠密阶段,小泡又突然被压缩,直至崩溃。小泡被突然压缩时,周围液体以极大速度来填充空穴,附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压,这就是空化现象或空化作用。在有超声波条件下,使用高电流密度进行电镀,与常规电镀相比,可以使镀层较为细致紧密、平整光滑、厚度均匀、无孔隙、与基体结合良好,并且具有较高的强度和硬度。在频率为16kHz 的超声场中电镀镍,硬度可提高3O﹪-5O﹪。在适当的工艺条件下,也可以使镀层的内应力低于无超声波电镀的镀层。其原因在于,当阴极电流密度高到一定值时,阴极极化急剧增加,导致析氢加剧,pH 值上升,阴极出现氢氧化镍溶液,而超声波的空化现象又对这种溶胶起着细化和分散作用以及稳定作用,防止溶胶凝聚和沉淀。超声波不宜用于金刚石上砂的全过程,只用于加厚期,当金刚石磨粒埋入镀层一定厚度时,采用超声波,金刚石磨粒不会被震落,就不会影响金刚石工具的上砂数目。

  3.3脉冲电镀与纳米胎体材料

  脉冲电镀是20 世纪60 年代发展起来的一种新型的电镀技术。其依据的电化学原理是:在一个脉冲周期内,当电流导通时,电化学极化增大,阴极区附近金属离子充分被沉积,镀层结晶细致光亮;当电流关断时,阴极区附近放电离子又回复到初始浓度,浓差极化消除。因此,脉冲电镀是采用一种新型的施电方式。利用电流或电压脉冲的张驰,降低阴极的浓差极化,从而允许更高的电流密度得到更高的电极极化,最终达到细化晶粒的作用。目前电沉积技术已经成为纳米材料的一种重要制备手段,这些材料具有很高的硬度和较好的韧性,被用来制备金刚石工具时,可使金刚石工具的耐磨性显著提高。论文格式。李照美等人采用脉冲电沉积法制备了纳米镍金刚石工具,对其进行磨损破坏性试验,结果表明脉冲纳米镍金刚

  石工具的平均寿命明显高于常规镍钴金刚石工具,约为1.5 倍。

  【参考文献】

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  [3]杨中东,高鹏,薛向欣,樊占国,刘素兰,国栋。稳恒磁场下Ni-W合金镀膜的制备与耐蚀性[J].中国有色金属学报,2006,(10)。

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