電鍍金剛石工具鍍層脫落的原因分析①

甘可

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

電鍍金剛石工具鍍層脫落的原因分析①

甘可

(桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

文章針對電鍍金剛石工具在使用過程中鍍層脫落常見的三種類型,討論了鍍層脫落的影響因素,提出了解決鍍層脫落的基本對策。

電鍍金剛石工具;鍍層;鍍前處理;內(nèi)應(yīng)力

1 前言

電鍍金剛石工具是指通過金屬電沉積的方法,使金剛石牢固地被胎體金屬包裹在基體(鋼或其它材料)上制作而成的一種金剛石工具,它廣泛應(yīng)用于機械電子、玻璃、建材、石油鉆探等行業(yè)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的進步,不同的行業(yè)對電鍍金剛石工具的要求基本上是相同的,即效率高、壽命長、磨削精度高。要保證這些特性,鍍層金屬不僅要有較高的硬度、耐磨性,而且要求在基體各個部分要均勻分布,以免鍍層脫落使工具壽命縮短。在某些特殊行業(yè),如磁性材料行業(yè)的強力磨削,進刀量都是控制在0.3mm左右;陶瓷行業(yè)的大進刀量的干磨削等,對鍍層金屬與鋼基體的結(jié)合力要求尤為苛刻。在電鍍金剛石工具的生產(chǎn)過程中,大部分廠家都只注意到了鍍層金屬的種類、硬度、耐磨性,而往往忽視鍍層金屬與基體結(jié)合力的問題。在實際使用過程中,鍍層脫落的現(xiàn)象屢見不鮮。本文就這一問題進行了原因分析,并對解決措施略作探討。[1,2,3,4]

2 鍍層脫落的種類

電鍍金剛石工具在使用過程中,由于使用條件如磨削力大小、溫升、工件的撞擊等原因,會造成含有金剛石的金屬鍍層與鋼基體分離的現(xiàn)象,這就是鍍層脫落。鍍層脫落一般是局部脫落,鍍層一次性全剝離的現(xiàn)象少見。在實際使用過程中,鍍層脫落的情形大致有如下三種:

(1)鍍層脫落至基體表面:即含金剛石的金屬鍍層和不含金剛石的金屬底鍍層同時與鋼基體分離。

(2)層脫落至金屬底鍍層:即不含金剛石的金屬底鍍層與鋼基體未分離,只是含金剛石的金屬鍍層與金屬底鍍層剝離。

(3)含金剛石的金屬鍍層中鍍層金屬層狀分離:含金剛石的金屬鍍層在使用過程中,與工件接觸部分的鍍層金屬不是正常磨耗,而是非正常地成片或粉末狀脫落,金剛石不是全部脫落,而是局部粒狀脫落。這種現(xiàn)象不易引起注意,造成的后果是制品壽命較短,往往會給人一種鍍層金屬把持力或耐磨性不佳的假象。排除加厚時鍍層燒焦和鍍層金屬耐磨性差等因素,工具在正常使用過程中,金剛石顆粒脫落直觀表現(xiàn)為工具表面有連續(xù)成片較大的孔洞時,應(yīng)是此類鍍層的脫落。

3 鍍層脫落的原因

電鍍金剛石工具在制造過程中牽涉多道工序,任何一道工序進行得不充分,都會造成鍍層脫落。

3.1 鍍前處理的影響

鋼基體在進入電鍍槽之前的處理工序稱之為鍍前處理。鍍前處理包括:機械拋光、除油、浸蝕及活化等步驟。鍍前處理的目的是去除基體表面上的毛刺、油污、氧化膜、銹和氧化皮,以暴露基體金屬使金屬晶格正常生長,形成分子間的結(jié)合力。如果鍍前處理不好,基體表面有很薄的油膜和氧化膜,基體金屬的金屬晶格就不能充分暴露,就會妨礙鍍層金屬與基體金屬形成分子間的結(jié)合力,僅僅是機械鑲嵌作用,結(jié)合力差。因此,鍍前處理不良是造成鍍層脫落的主要原因。

3.2 鍍液的影響

鍍液的配方直接影響鍍層金屬的種類、硬度、耐磨性,配合不同的工藝參數(shù)還可控制鍍層金屬結(jié)晶的粗細、致密度以及鍍層內(nèi)應(yīng)力的大小。對于電鍍金剛石工具的生產(chǎn)而言,絕大部分采用鎳或鎳-鈷合金,若不考慮鍍液雜質(zhì)的影響,影響鍍層脫落的因素有:

(1)內(nèi)應(yīng)力的影響 鍍層內(nèi)應(yīng)力是在電沉積過程中產(chǎn)生的,溶液中的添加劑及其分解產(chǎn)物和氫氧化物均會增加內(nèi)應(yīng)力。這種應(yīng)力是在電鍍過程中鍍層受到一些沉積因素的影響,引起晶格缺陷所致。特別是某些金屬離子和有機添加劑的作用,會顯著增加鍍層的內(nèi)應(yīng)力。鍍層內(nèi)應(yīng)力有宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力兩類。宏觀應(yīng)力表現(xiàn)在將一金屬薄片進行單面電鍍,薄片受鍍層內(nèi)應(yīng)力影響而產(chǎn)生彎曲。微觀應(yīng)力則主要通過提高鍍層硬度表現(xiàn)出來。

宏觀應(yīng)力能引起鍍層在貯存、使用過程中產(chǎn)生氣泡、開裂、脫落等現(xiàn)象。

對于電鍍鎳或鎳-鈷合金而言,不同的鍍液組成,內(nèi)應(yīng)力相差懸殊,氯化物含量越高,內(nèi)應(yīng)力越大。對于主鹽為硫酸鎳的鍍液而言,瓦特類鍍液內(nèi)應(yīng)力均小于其他類鍍液。通過添加有機光亮劑或應(yīng)力消除劑,可顯著減小鍍層的宏觀內(nèi)應(yīng)力而增加其微觀內(nèi)應(yīng)力。不同的工藝組合,如電流密度、PH值、溫度,可以使同種鍍液的鍍層具有不同的內(nèi)應(yīng)力。因此,要減少內(nèi)應(yīng)力的影響必須嚴格控制鍍液的工藝范圍,這樣才能保證鍍層的內(nèi)應(yīng)力在工藝要求的范圍內(nèi)。

(2)析氫的影響 在任何電鍍液中,不論其PH值如何,由于水分子的離解,永遠存在一定量的氫離子。因此,在條件適當?shù)那闆r下,無論在酸性、中性或堿性的電解液中進行電鍍,在陰極上與金屬析出的同時,往往有氫氣析出。氫離子在陰極還原后,一部分形成氫氣逸出,一部分以原子氫的狀態(tài)滲入基體金屬及鍍層中。使晶格扭曲,造成很大的內(nèi)應(yīng)力,也使鍍層顯著變形。此時,雖然從外觀上看不出缺陷,但它的機械性能是不合格的。工具在使用過程中,當周圍介質(zhì)的溫度升高時,聚集在基體金屬或鍍層金屬內(nèi)的吸附氫會膨脹而使鍍層產(chǎn)生鼓泡、脫落的現(xiàn)象。

電鍍鎳,陰極電流效率為95%時,只有5%為析氫反應(yīng)。但是若溫度過高,PH值過低,各組分不當均會使析氫加劇。因此,如何控制電鍍時的析氫反應(yīng)以控制鍍層內(nèi)應(yīng)力是一個值得探討的問題。

3.3 電鍍過程的影響

若排除電鍍液的成分及其他工藝控制方面的影響,電鍍過程中的斷電是造成鍍層脫落的一個重要原因。

電鍍金剛石工具的電鍍生產(chǎn)過程與其他類型的電鍍有著較大的區(qū)別。電鍍金剛石工具的電鍍過程包括空鍍(打底)、上砂、加厚過程。在各個過程中都存在著基體離開鍍液,即或長或短的斷電的可能。比如說空鍍一定時間后,需觀察底鎳的質(zhì)量及金剛石在基體上是否均勻分布;上述過程中若上砂有植砂和卸砂步驟,卸砂有時需要離開鍍槽,在另一槽內(nèi)進行;加厚過程中觀察金剛石覆蓋率是否到位等等。短時間斷電,對鍍層影響不大,若斷電時間過長,鍍層金屬表面就會在瞬間生成一層致密的氧化膜,使隨后進行的電沉積金屬原子不能沿著原有的金屬晶格生長,影響兩者的結(jié)合力。工具在使用過程中,外作用力大于這兩層間的結(jié)合力時,此兩層之間的層與層的分離是不可避免的。因此,采用更為合理的工藝、工序也可減少鍍層脫落現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 解決鍍層脫落的措施

針對上述鍍層脫落的原因,筆者認為可采取以下措施解決鍍層脫落的問題:

(1)強化鍍前處理,盡可能完全去除基體表面上的毛刺、油污、氧化膜、銹和氧化皮,促使鍍層金屬晶格正常生長,提高鍍層金屬與基體金屬間的結(jié)合力。

(2)優(yōu)化鍍液配方和電鍍工藝、采取帶電入槽,防止雙極性現(xiàn)象,對于形狀復(fù)雜的工件采用短時間大電流沖擊空鍍,以減少鍍層內(nèi)應(yīng)力和析氫現(xiàn)象的影響,提高鍍層質(zhì)量。

(3)優(yōu)化工藝、工序,減少卸砂時的斷電時間,甚至不斷電在原上砂槽內(nèi)卸砂、加厚或在一備用槽內(nèi)帶電卸砂,以提高金剛石顆粒與鍍層間的結(jié)合力。若在加厚過程中遇停電現(xiàn)象,重新加厚時,工件應(yīng)放入電解液中進行陰極還原,還原后帶電入槽電鍍以保證鍍層結(jié)合力。

5 結(jié)論

在電鍍金剛石工具的生產(chǎn)過程中,在選定某一組成的鍍液配方時,除考慮鍍層金屬的硬度、耐磨性外,還應(yīng)充分注意鍍層內(nèi)應(yīng)力,定性測量鍍層內(nèi)應(yīng)力以及各種添加劑對內(nèi)應(yīng)力的影響。同時在生產(chǎn)過程中應(yīng)充分重視鍍前處理的各個步驟,生產(chǎn)工藝控制規(guī)范,確保鍍液潔凈、雜質(zhì)含量在工藝范圍內(nèi),只有這樣才能保證生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、質(zhì)量穩(wěn)定的電鍍金剛石工具。

[1] 張允誠,胡如南,向榮.電鍍手冊(上)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997,第二版.

[2] 郭鶴桐,陳建勛,劉淑蘭.電鍍工藝學(xué)[M].天津科學(xué)技術(shù)出版社.

[3] 上海輕工業(yè)?？茖W(xué)校編.電鍍原理與工藝[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社.

[4] 王秦生.超硬材料電鍍工藝學(xué)[M].中國磨料磨具工業(yè)公司.

Analysis on coating shedding of electroplated diamond tool

GAN Ke
(Guilin Research Institute of Geology for Mineral Resources,Guilin,Guangxi 541004)

In the paper,it has discussed influencing facto rs of coating shedding in the application of electroplated diamond tool,and proposes the counter measures to solve the problem.

electroplated diamond tool;coating;treatment before electroplating;stress

TQ 164

A

1673-1433(2010)02-0032-03

2010-01-18

甘可(1979-),女,助工,主要從事金剛石電鍍工具方面的工作。