采用弱磁顆粒制備電鍍金剛石工具

王琳 *，黃志偉，李云東，業(yè)紅玲，孟普

金剛石以其高硬度、高耐磨性、耐熱、耐化學腐蝕等優(yōu)良的物理化學性能，被廣泛應用于砂輪、磨輪、什錦銼、串珠、鋸片、修整筆與拉絲模等工具的制作[1-2]。天然金剛石產(chǎn)量低且價格昂貴，目前工業(yè)用金剛石大多采用人造金剛石。與天然金剛石相比，人造金剛石顆粒具有與之幾乎相同的優(yōu)良物理化學性能，成本卻明顯較低。人造金剛石在合成時內(nèi)部不可避免地會有觸媒元素(Ni、Mn、Co、Fe 等)組成的包裹體存在，使金剛石的絕緣性被破壞而表現(xiàn)出微弱的導電性[3-6]，電鍍過程中經(jīng)常會在金剛石表面出現(xiàn)鍍層金屬(即結(jié)瘤)，顆粒間堆積及過度包鑲等現(xiàn)象[7-8]。本文利用磁性金剛石的弱導電性，先在電鍍過程中實現(xiàn)顆粒與鍍層界面間的化學鍵合以提高把持力，再去掉基體，通過機械打磨使包埋于鍍層中的顆粒尖端露出，以期制得性能優(yōu)異的金剛石工具。

1 電鍍制備金剛石工具

1.1 弱磁金剛石預處理

采用鄭州三磨超硬材料有限公司生產(chǎn)的直徑為0.25 ～ 0.35 mm 的弱磁性金剛石顆粒，由于金剛石表層中的碳原子有一個未成對的價電子，很容易吸附氧和其他污物，為使其滿足電鍍要求，保證界面間的結(jié)合力，在使用前必須對金剛石進行嚴格的表面凈化和親水化處理。采用堿處理和酸處理相結(jié)合的辦法來凈化金剛石顆粒表面，堿處理用5%氫氧化鈉溶液，將金剛石置于其中，然后放在電爐上煮沸0.5 h，倒出冷卻，用蒸餾水洗至中性，再用稀硝酸浸泡數(shù)小時，經(jīng)90 °C 左右的熱水洗、冷水洗等步驟徹底清洗干凈后，置于干凈的電鍍液中待用。

1.2 基體預處理

基體采用0.3 mm 厚、40 mm × 40 mm 大小的JS-307 不銹鋼板，將其固定在環(huán)氧樹脂平板上，通過手工打磨對其表面進行初步整平，去氧化膜，然后經(jīng)化學去油進一步除去基體表面的油污。化學除油配方和工藝為：NaOH 20 g/L，Na3PO425 ～ 30 g/L，Na2SiO33 g/L，溫度80 °C，時間10 min。

清洗干凈后用酸性浸蝕液除去殘留的氧化皮和銹污，浸蝕液為100 g/L 的鹽酸溶液，在室溫下進行，操作時間視表面情況而定，一般幾分鐘即可，之后用水徹底清洗，烘干后將薄膜覆于基體表面。所用薄膜呈環(huán)形，帶有均勻分布的微孔，具體參數(shù)為：外圓直徑26 mm，內(nèi)圓直徑8 mm，微孔直徑0.35 mm，微孔間距1.1 mm，厚度0.15 ～ 0.22 mm，未覆膜的基體采用環(huán)氧樹脂材料進行絕緣處理。

1.3 電鍍

1.3.1 鍍液配方和工藝

采用瓦特槽電鍍鎳基弱磁金剛石工具，所有試劑均為分析純，直流電鍍，99.9%的電解鎳片為陽極，陰、陽極面積比為1∶8，極間距為30 cm。電鍍液組成和工藝為：NiSO4·6H2O 180 g/L，MgSO4·7H2O 100 g/L，CoSO4·6H2O 10 g/L，H3BO340 g/L，KCl 37 g/L，十二烷基硫酸鈉0.1 g/L，糖精鈉2.0 g/L，pH 4.4 ～ 4.6，溫度(52 ± 1) °C。

1.3.2 工藝流程

預鍍→植砂→去薄膜→嚴格的表面處理→補砂→加厚鍍。整個工藝鍍層均為單質(zhì)鎳。

1.3.2.1 預鍍

使表面覆有薄膜的不銹鋼基體帶電進入電鍍槽，并置于槽底進行大電流沖擊，沖擊電流密度為2.0 A/dm2，對未覆膜基體表面的微孔預鍍底層，1 min 后將電流密度調(diào)至1.5 A/dm2，保持10 min，此時厚度約3 μm。

1.3.2.2 植砂

基體平置于槽底，電流密度調(diào)至1 A/dm2，將弱磁金剛石顆粒置于基體一端，采用橡膠平板帶動顆粒向基體另一端移動，經(jīng)過薄膜微孔時，金剛石落入孔中，基本可以保證一孔一砂，多余顆粒刮至基體表面絕緣層上進行回收處理，植砂完成后，維持50 ～ 60 min，取出。

1.3.2.3 去薄膜

特制薄膜覆蓋的區(qū)域即欲制工具的形狀，在進入加厚鍍階段前，需要將薄膜除去，露出欲鍍部位。具體參數(shù)為：Na2CO31%(質(zhì)量分數(shù))，溫度約85 °C，時間約10 min。對于呈乳化狀態(tài)覆于基體表面的殘膜，用軟毛刷輕刷，再沖洗干凈即可。整個過程基本沒有顆粒脫落，絕緣層不受影響。

1.3.2.4 嚴格的表面處理

為提高金剛石表面鍍層間的結(jié)合力，依次對植砂后的工件進行90 °C 熱水洗、冷水洗、上掛具、電解去油(溶液組成和工藝條件如表2 所示)、熱水洗、冷水洗、浸蝕、冷水洗、再冷水洗的嚴格表面處理。

電解除油液組成和工藝條件為：NaOH 8 g/L，Na2CO320 g/L，Na3PO420 g/L，Na2SiO33 g/L，溫度80 °C，電流密度3 A/dm2，先陰極除油3 min，再陽極除油 0.5 ～ 1.0 min。

浸蝕液組成和工藝條件為：鹽酸100 mL/L，H2SO4150 mL/L，室溫，時間1 ～ 2 min。

1.3.2.5 補砂

工件帶電進入電鍍槽并平置于槽底，在3.0 A/dm2下沖擊鍍1 min 后，將電流密度調(diào)至1.5 A/dm2，個別金剛石在上述表面處理過程中會脫落，因此實驗采用自制筆狀工具(如圖1 所示)進行補砂。先借助吸管將金剛石顆粒置于預鍍工件表面，然后利用工具將顆粒推入缺砂部位，多余的顆粒用吸管取出即可，最后鍍0.5 h 左右固砂。

1.3.2.6 加厚鍍

將工件豎立開始進行加厚鍍，電流密度為1.5 A/dm2，時間為10 h，所得鍍層厚度約0.3 mm，將邊緣基體剪去，余下的在稀鹽酸溶液中溶解即可，鍍件未出刃的狀態(tài)如圖2 所示，其外形與薄膜一致。

1.4 開刃處理

由于弱磁金剛石表面導電質(zhì)點及其內(nèi)部磁性包裹體的作用，電鍍完成后，金剛石顆粒會被一層厚厚的鎳包裹，對于切割類工具，若采用電化學技術來出刃，則絕緣涂層、間距控制等方面的技術難度較高，故只需在銑床上用細粒度砂輪片以較低的轉(zhuǎn)速打磨至顆粒尖端露出即可(本工藝采用鄭州華豫磨料模具有限公司生產(chǎn)的不銹鋼砂輪片，厚度為1.2 mm，外圓直徑107 mm，內(nèi)圓直徑16 mm)。

2 弱磁金剛石工具的性能

2.1 基體鎳層的顯微硬度

采用不同類型金剛石顆粒制備的電鍍工具，性能差異較大，為了檢驗其結(jié)果是否存在偶然性，試驗對每種工具鍍層的顯微硬度進行測試。采用由上海泰明光學儀器有限公司生產(chǎn)的HX-500 型顯微硬度計(壓頭采用錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓入材料表面，用壓力除以壓痕凹坑的表面積，即得顯微硬度)，載荷為500 g，每個樣本經(jīng)5 次分散取點，取平均值，得到弱磁金剛石工具、無磁金剛石工具的維氏硬度分別為433 HV 和424 HV。這說明2 種切割工具的鍍層顯微硬度相差不大。

2.2 切削性能

為了評估弱磁金剛石工具的切削性能，按上述方法制備圓形切割片3 個，同法，采用鄭州三磨超硬材料有限公司生產(chǎn)的磨粒直徑為0.25 ～ 0.35 mm 的無磁金剛石制備3 個相同規(guī)格的圓形切割片，將切割片分別固定于自制工具上，見圖3。試驗開始時，將砂輪片固定于工作臺上，調(diào)整機床主軸上切割片與砂輪片之間的距離，主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，工作臺送刀量為0 mm/min(即工作臺靜止)，使砂輪對試件邊緣的胎體材料進行打磨，直至顆粒尖端露出，然后將主軸轉(zhuǎn)速升高至380 r/min，工作臺送刀量為35 mm/min，工作至工具外圓周上的50 個磨粒全部脫落為止，記錄每個試件切割砂輪片的總長度，得到弱磁金剛石工具、無磁金剛石工具的平均工作長度分別為350.7 cm 和231.0 cm。結(jié)果表明，與無磁顆粒制作的金剛石工具相比，弱磁金剛石工具的工作長度提高了51.8%。

圖1 自制筆狀工具Figure 1 Home-made pen-like tool

圖2 金剛石切割片F(xiàn)igure 2 Diamond-coated cutting blade

圖3 將金剛石切割片固定在自制工具上Figure 3 Fixing the diamond-coated cutting blade to the home-made tool

3 結(jié)語

采用弱磁顆粒制備電鍍金剛石工具，利用金剛石的弱磁性及顆粒上的導電質(zhì)點，在一定程度上實現(xiàn)了顆粒與胎體界面間的化學鍵合，顯著提高了金剛石顆粒的把持力；將顆粒呈離散分布在鍍層中，避免了顆粒間的堆積。與相同工藝制備的電鍍無磁金剛石工具相比，采用弱磁顆粒制備的切割片切割長度提高了51.8%。該工藝制造成本低，工藝簡單，操作方便，為今后弱磁金剛石在電鍍制品中的應用提供了一定的理論依據(jù)。

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