用表面改性技術提高電鍍金剛石工具的使用性能

黃志偉， 劉玉賓， 李云東

（1.黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封475004；2.河南農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河南 鄭州450002）

0 前言

由于金剛石具有高硬度、高強度、高耐磨性及線膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的物理化學特性［1］，制作的金剛石工具適宜加工硬脆的難加工材料［2］，在機械、電子、建筑、鉆探、醫(yī)學光學玻璃加工等工業(yè)領域得到廣泛應用。

用電鍍法制造金剛石工具時，鍍層金屬（目前多采用鎳、鎳-鈷合金）主要起支撐和結合劑的作用，這就要求鍍層金屬能牢固地把持住金剛石微粒。由于金剛石屬于非金屬，與金屬沒有很好的親和力，致使金剛石與一般金屬或合金間有很高的界面能［3］。特別是用電鍍法制備金剛石工具時，由于制造溫度低，不能使金剛石表面的碳原子生成碳化物與黏結金屬實現(xiàn)化學鍵結合，金剛石微粒僅僅被機械地鑲嵌于鍍層基體中。另外，鍍液對金剛石微粒表面的浸潤性較差，致使沉積金屬與金剛石微粒表面的結合性不好。金剛石微粒在工作過程中受切削力作用時，容易在鍍層金屬中出現(xiàn)松動、旋轉，致使金剛石微粒在沒有發(fā)揮應有的切削作用前就已經(jīng)脫落，造成加工成本高、生產(chǎn)效率低。因此，如何提高鍍層金屬與金剛石微粒間的結合力，一直是電鍍金剛石工具制備中需要解決的關鍵技術問題之一。

本文采用對金剛石微粒進行表面改性處理的方法，使金剛石微粒表面具有分散的鎳金屬質點。工具電鍍過程中，在金剛石與鍍層間的結合面上形成分散的連接點，金剛石微粒與鍍層形成牢固的金屬鍵結合，加強鍍層對金剛石微粒的把持力，提高電鍍金剛石工具的磨削性能和使用壽命。

1 實驗

1.1 金剛石微粒的表面改性

實驗選用粒徑為154～200μm的人造金剛石進行表面改性處理。具體工藝步驟為：將一定量的金剛石放入三頸瓶中，向三頸瓶中分別加入HNO3溶液和H2SO4溶液，將其放入溫度為110℃的恒溫水浴鍋中，并且在加熱過程中利用冷凝管水循環(huán)冷卻進行回流；加熱回流6h后倒掉三頸瓶中的溶液，然后重新依次加入一定量的H2SO4溶液和H2O2溶液，同樣將其放入溫度為110℃的恒溫水浴鍋中，在加熱過程中利用冷凝管水循環(huán)冷卻進行回流；加熱回流2h后倒掉三頸瓶中的溶液，用蒸餾水洗滌金剛石微粒，然后將其放入NaOH溶液中進行浸泡，經(jīng)NaOH溶液浸泡過的金剛石微粒用蒸餾水洗滌之后，放入配制好的NiSO4溶液中進行Ni2＋吸附處理；將金剛石微粒從NiSO4溶液中取出，用蒸餾水反復洗滌，把洗滌后的金剛石放入配制好的KBH4溶液中進行還原處理；經(jīng)KBH4溶液還原處理的金剛石微粒用蒸餾水反復洗滌之后，將其浸泡在蒸餾水中，用于上砂電鍍。

1.2 工具制備

同一種鍍液配方制備金剛石工具的所有電鍍過程均在同一電鍍槽中進行。整個制備工序為：基體預處理預鍍底層布砂卸砂加厚鍍。鋼基體經(jīng)過特別嚴格的鍍前處理后，帶電進入無磨料的電鍍槽中進行預鍍，以提高鎳的覆蓋能力。預鍍電流密度為1.0A／dm2，預鍍時間為20～30 min；上砂電流密度為0.5A／dm2，工件的布砂過程采用落砂法。這是由于工件為圓形平面的形狀，落砂法能保證鋼基體表面均勻地固結金剛石微粒。沉積30～40min即可卸砂。卸砂時緩慢將工件從鍍槽中豎立，輕輕搖動，使表面上未被黏住的浮砂脫離，隨后即可進行長時間沉積，得到可有效把持磨粒的鍍層。采用的加厚電流密度為1.0A／dm2，加厚時間依工件形狀及具體使用要求可在5.5～6.5h之間調整。

所用試劑均為分析純，用蒸餾水配制。鍍槽為聚氯乙烯塑料自行焊制，電熱水浴保溫于（35±1）℃，鎳板作為陽極，鍍液pH值為4.4～4.6。鎳-鈷合金鍍液的配方為：硫酸鎳250～280g／L，氯化鎳40～50g／L，硫酸鈷20～30g／L，硼酸40～50g／L。

1.3 磨削加工

分別用經(jīng)表面改性處理和未經(jīng)表面改性處理的金剛石在相同制備工藝條件下制作電鍍金剛石套料鉆頭，如圖1所示。在Z5163B型立式鉆床上加工出直徑25mm、長10mm的陶瓷通孔。工件99陶瓷板的主要性能如下：彈性模量380GPa，密度3.6 g／cm3，抗彎強度400MPa。鉆頭轉速為1 100 r／min，水基冷卻液。以磨削力急劇增加、鉆透進刀困難時，為電鍍金剛石鉆頭的耐用度，計算鉆頭耐用度期間的陶瓷材料去除體積。用S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察電鍍金剛石鉆頭的表面形貌。

圖1 金剛石鉆頭形貌

2 結果與討論

2.1 金剛石與鍍層的結合狀況

圖2為金剛石與鍍層的結合示意圖。其中，圖2（a）中的金剛石未經(jīng)表面改性處理；圖2（b）中的金剛石經(jīng)過表面改性處理。由圖2（a）可知：金剛石未經(jīng)表面改性處理時，金剛石微粒與鎳-鈷鍍層間有一條很大的縫隙分界線。這表明金剛石微粒與鎳-鈷鍍層間沒有以分子力和金屬鍵維系的結合，只是簡單地依靠機械力進行包裹，這就會大大降低電鍍金剛石工具的使用壽命及性能。金剛石微粒經(jīng)表面改性處理后，與鎳-鈷鍍層間的界線消失，并有一些分散的鎳鈷連接點生長在金剛石微粒與鎳-鈷鍍層的結合面上，如圖2（b）所示。因此，金剛石微粒與鎳-鈷鍍層形成了牢固結合，從而加強了鎳-鈷鍍層對金剛石微粒的把持力，減少電鍍金剛石工具在使用過程中金剛石微粒的脫落。

圖2 金剛石與鍍層的結合示意圖

金剛石是非金屬材料，它與一般金屬和合金之間具有很高的界面能，致使金剛石的表面不能在室溫條件下為一般金屬和合金所浸潤。金剛石結構的碳原子處于SP3雜化狀態(tài)，在金剛石內(nèi)部，每個碳原子與周圍相鄰的四個碳原子結合，化合價達到飽和，沒有余鍵。而在金剛石表面層中的碳原子剩有余鍵，有一個未成對的價電子，它很容易與氧或其他物質發(fā)生化學吸附［4］。根據(jù)金剛石表面所具有的這一特性，利用強氧化劑對金剛石表面進行氧化處理，使其表面碳原子得到氧化生成羥基、羧基和羰基等基團，從而提高金剛石微粒的親水性。把經(jīng)過氧化處理的金剛石微粒放入NiSO4溶液中，金剛石微粒表面通過羥基、羧基吸附Ni2＋，使金剛石表面具有的余鍵能吸附上金屬離子。然后，通過KBH4溶液對金剛石微粒表面的金屬離子進行還原處理，在金剛石微粒表面形成分散的金屬微粒，即金屬質點，如圖3所示。

圖3 經(jīng)表面改性的金剛石與鍍層的結合示意圖

用經(jīng)表面改性處理的金剛石微粒制備電鍍金剛石工具時，當鍍層與鎳金屬質點接觸時，鎳金屬質點與鋼基體和鍍層一起構成了陰極，在鎳金屬質點表面產(chǎn)生鎳-鈷的電沉積。鎳-鈷與鎳金屬質點經(jīng)電結晶形成金屬鍵連接，從而生成金剛石微粒與鎳-鈷鍍層間的連接點，增強了電鍍金剛石工具中鍍層金屬與金剛石微粒間的結合力，有效提高了電鍍金剛石工具的使用壽命。

2.2 工具使用壽命對比分析

電鍍金剛石工具在耐用度期間的陶瓷材料去除體積可以評定工具的磨削性能［5］。使用經(jīng)表面改性處理和未經(jīng)表面改性處理的金剛石，分別制作了五個電鍍金剛石套料鉆頭來進行磨削試驗，結果如圖4所示。結果表明：磨削加工陶瓷工件時，經(jīng)表面改性處理的電鍍金剛石工具的材料去除體積是未經(jīng)表面改性處理工具的1.6倍。采用經(jīng)表面改性處理的金剛石制作電鍍金剛石工具時，金剛石微粒通過鎳金屬質點與鎳-鈷鍍層牢固連接，將金剛石與鍍層之間簡單的機械包裹轉化為分子力和金屬鍵維系的結合，增強了鍍層與金剛石的結合力。因此，金剛石經(jīng)表面改性處理后，用于制作電鍍金剛石工具，可顯著提高電鍍金剛石工具的使用壽命。

圖4 陶瓷材料的去除體積對比

3 結論

制備電鍍金剛石工具時，對金剛石微粒進行表面改性處理，可以使金剛石與鍍層形成牢固的金屬鍵連接，提高金剛石與鍍層的結合性能。采用經(jīng)表面改性處理的金剛石制備電鍍金剛石工具，可以明顯提高電鍍金剛石工具的磨削性能和使用壽命。采用表面改性處理技術制備電鍍金剛石工具，制作成本無顯著提高，是一種可以廣泛應用于實際生產(chǎn)的實用技術。

［1］高濤，彭偉，姚春燕.金剛石表面處理的應用和發(fā)展［J］.金剛石與磨料磨具工程，2004（3）：6-9.

［2］王秦生.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2006.

［3］段隆臣.金剛石表面化學鍍Ni-Fe-B及其在胎體中結合狀態(tài)的研究［J］.長春科技大學學報，2001，31（1）：100-104.

［4］陳思夫，于愛兵.用表面活化技術提高金剛石與鍍層的結合性能［J］.機械科學與技術，2005，24（5）：609-611.

［5］任敬心，康仁科，史興寬.難加工材料的磨削［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.