電鍍金剛石工具鍍層脫落的原因分析①

甘可

(桂林礦產地質研究院,廣西桂林541004)

電鍍金剛石工具鍍層脫落的原因分析①

甘可

(桂林礦產地質研究院,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;內應力

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,它廣泛應用于機械電子、玻璃、建材、石油鉆探等行業。隨著經濟的發展,科學技術的進步,不同的行業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,如磁性材料行業的強力磨削,進刀量都是控制在0.3mm左右;陶瓷行業的大進刀量的干磨削等,對鍍層金屬與鋼基體的結合力要求尤為苛刻。在電鍍金剛石工具的生產過程中,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合力的問題。在實際使用過程中,鍍層脫落的現象屢見不鮮。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為工具表面有連續成片較大的孔洞時,應是此類鍍層的脫落。

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合力,僅僅是機械鑲嵌作用,結合力差。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還可控制鍍層金屬結晶的粗細、致密度以及鍍層內應力的大小。對于電鍍金剛石工具的生產而言,絕大部分采用鎳或鎳-鈷合金,若不考慮鍍液雜質的影響,影響鍍層脫落的因素有:

(1)內應力的影響 鍍層內應力是在電沉積過程中產生的,溶液中的添加劑及其分解產物和氫氧化物均會增加內應力。這種應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應力。鍍層內應力有宏觀應力和微觀應力兩類。宏觀應力表現在將一金屬薄片進行單面電鍍,薄片受鍍層內應力影響而產生彎曲。微觀應力則主要通過提高鍍層硬度表現出來。

宏觀應力能引起鍍層在貯存、使用過程中產生氣泡、開裂、脫落等現象。

對于電鍍鎳或鎳-鈷合金而言,不同的鍍液組成,內應力相差懸殊,氯化物含量越高,內應力越大。對于主鹽為硫酸鎳的鍍液而言,瓦特類鍍液內應力均小于其他類鍍液。通過添加有機光亮劑或應力消除劑,可顯著減小鍍層的宏觀內應力而增加其微觀內應力。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應力。因此,要減少內應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應力在工藝要求的范圍內。

(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,在條件適當的情況下,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滲入基體金屬及鍍層中。使晶格扭曲,造成很大的內應力,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,當周圍介質的溫度升高時,聚集在基體金屬或鍍層金屬內的吸附氫會膨脹而使鍍層產生鼓泡、脫落的現象。

電鍍鎳,陰極電流效率為95%時,只有5%為析氫反應。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以控制鍍層內應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過程與其他類型的電鍍有著較大的區別。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,影響兩者的結合力。工具在使用過程中,外作用力大于這兩層間的結合力時,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象的出現。

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合力。

(2)優化鍍液配方和電鍍工藝、采取帶電入槽,防止雙極性現象,對于形狀復雜的工件采用短時間大電流沖擊空鍍,以減少鍍層內應力和析氫現象的影響,提高鍍層質量。

(3)優化工藝、工序,減少卸砂時的斷電時間,甚至不斷電在原上砂槽內卸砂、加厚或在一備用槽內帶電卸砂,以提高金剛石顆粒與鍍層間的結合力。若在加厚過程中遇停電現象,重新加厚時,工件應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合力。

5 結論

在電鍍金剛石工具的生產過程中,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,還應充分注意鍍層內應力,定性測量鍍層內應力以及各種添加劑對內應力的影響。同時在生產過程中應充分重視鍍前處理的各個步驟,生產工藝控制規范,確保鍍液潔凈、雜質含量在工藝范圍內,只有這樣才能保證生產出優質、質量穩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:國防工業出版社,1997,第二版.

[2] 郭鶴桐,陳建勛,劉淑蘭.電鍍工藝學[M].天津科學技術出版社.

[3] 上海輕工業專科學校編.電鍍原理與工藝[M].上海科學技術出版社.

[4] 王秦生.超硬材料電鍍工藝學[M].中國磨料磨具工業公司.

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。