金剛石拋光用鎳鎢合金鍍層的電鍍制備工藝

安志博，金洙吉，姜冠楠，王磊，王洪超

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

動摩擦拋光技術［1-2］（Dynamic Friction Polishing，DFP），又被稱為摩擦化學拋光，其加工原理為利用高溶碳能力的金屬拋光盤以一定壓力與金剛石在大氣環境下高速摩擦，借助摩擦生成的熱量使金剛石被加工表面達到石墨化溫度（600~800 ℃），并在金剛石石墨化后通過化學和機械作用將金剛石表面的非金剛石相去除。這種拋光是一種高效低成本的金剛石去除方法。

拋光盤在摩擦化學拋光金剛石的過程中可以催化金剛石的石墨化反應，不同種類的拋光盤對金剛石的去除效果不同。拋光盤的制備可以采用燒結或鑄造等方式制備［3-4］，但其加工效率較低，生產成本高。因此，如何實現高效制備拋光盤以實現金剛石的摩擦化學拋光亟待發展。常規電鍍法可以實現在常溫下以較低成本和相對簡單的制備工藝在基材上制備高硬度的耐磨鍍層，具有較高的應用價值［5-6］。鎳鎢合金具有優秀的機械性能和熱穩定性［7］，耐磨性較好［8-9］，廣泛應用于各種摩擦表面的保護處理［10-11］。且鎳、鎢元素對金剛石的石墨化具有催化作用［12］，因此可以通過電鍍鎳鎢合金獲得摩擦化學拋光盤用來拋光金剛石。

摩擦化學拋光金剛石過程使拋光盤的磨損深度較大，因此拋光盤鍍層需要具有優秀的耐磨性能以及較大的鍍層厚度以保證拋光盤具有足夠的使役壽命。本文采用單向脈沖電鍍鎳鎢合金鍍層，探究脈沖參數對鍍層性能的影響，選擇合適的電鍍參數快速制備超厚鎳鎢合金拋光盤鍍層，并驗證其對金剛石的拋光性能。

1 實驗與設備

實驗電鍍拋光盤基材為純銅，經精密車削后在30 g/L的Na2CO3溶液中除油，然后在3%的稀H2SO4中除去表面氧化層，電源為SOYI-10020DM 型脈沖電源。鍍液為硫酸鹽體系的鎳鎢電鍍液，溶液中的主鹽為 350 g/L NiSO4·6H2O，10 g/L Na2WO4·2H2O，10 g/L NiBr2；絡合劑為50 g/L Na3Cit·2H2O。電鍍過程中通過滴加稀H2SO4或氨水保持溶液pH 值為3.0~4.0，保持溶液溫度為45~55 ℃。

研究結果表明脈沖電鍍工藝可以有效減小鍍層內應力、提高鍍層耐磨性、降低鍍層雜質含量、利于獲得成分穩定的鍍層。為了探究電鍍參數對鍍層性質（鍍層組分含量、顯微硬度、內應力與沉積速率）影響，筆者設計了三因素四水平的正交實驗，方案如表1 所示。其中，通過控制電鍍時間以確保流過的電量均為1.8×104C/dm2，使其理論電鍍金屬量相近。

表1 正交實驗參數Tab.1 Orthogonal experimental parameters

采用Oxford X-Max 型EDS 測量鍍層的元素組分；采用MⅤS-1000Z維氏硬度計測量鍍層的顯微硬度，所用載荷為10 g，保持時間為10 s，在鍍層表面隨機選取5 個測量點測量鍍層的硬度，并計算其平均值作為鍍層的顯微硬度，所用試片為直徑30 mm，厚8 mm 的銅片。采用薄片陰極彎曲法［13-14］測量鍍層的內應力，其基本測量過程為采用一條狹長的金屬薄片作為陰極，其中一面進行絕緣處理，另一位為施鍍面。由于電鍍過程中產生的應力，導致金屬片彎曲，若金屬片向絕緣面彎曲，則鍍層內應力表現為壓應力，反之則為拉應力。該測量方法的內應力計算公式為：

式中：σ為鍍層內應力，MPa；E為陰極薄片的彈性模量，GPa；ts為陰極薄片的厚度，mm；R為陰極薄片的曲率半徑，m；tf為鍍層的厚度，mm。

陰極薄片采用退火去除應力的純銅片，其尺寸為80 mm × 10 mm，其彈性模量為108 GPa，厚度為0.1 mm，通過測量鍍層的厚度和陰極薄片的曲率半徑可以計算出鍍層的內應力。該方法可以快速評估鍍層內應力值，多用于測量較薄鍍層的應力，可以作為半定量的測量方法估算鍍層內應力［15］。

鍍層的沉積速率采用稱重法進行測量，相關計算公式如下：

式中：v為鍍層沉積速率，μm/min；Δmf為試片電鍍前后質量變化，g；S為鍍層表面積，800 mm2；t為施鍍時間，min；ρdis為鍍層密度，g/mm3；ρNi為鎳元素的密度，8.9×10-3g/mm3；wNi為鍍層中鎳元素的質量分數；ρW為鎢元素的密度，19.4×10-3g/mm3；wW為鍍層中鎢元素的質量分數。

金剛石的摩擦化學拋光實驗采用實驗室自行搭建的試驗臺進行實驗，拋光試驗原理圖如圖1所示，試驗樣件采用3 mm×3 mm×1 mm 的CⅤD 金剛石試片。拋光金剛石的表面形貌采用Keyence 公司生產的ⅤHX-600E 系列超景深顯微鏡進行觀測，去除率與拋光盤磨損量采用稱重法進行估算，樣品質量變化采用天平為DⅤ215CD 系列的專業型分析天平進行測量，每個樣品重復測試3 次作為測試結果。磨削比為拋光盤與金剛石損失量的體積比。相關計算公式如下：

圖1 摩擦化學拋光金剛石原理圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic friction polishing diamond

式中：Rdia為金剛石的去除率，μm/min；Δm為拋光前后金剛石的質量變化，g；t為拋光時間，min；ρdia為金剛石密度，3.5×10-3g/mm3；Sdia為金剛石表面積，mm2；Gr為磨削比；ρdis為鎳鎢合金鍍層密度，根據鎳鎢合金組分計算得出，g/mm3；ΔM為拋光前后拋光盤的質量變化，g。

2 鎳鎢合金鍍層的電鍍參數選擇

2.1 電鍍正交實驗結果

在相同的鍍液成分與工藝參數下，改變電鍍參數，合金鍍層的電鍍過程也會因此改變，其組分也會隨之變化［16］。

本實驗通過改變電鍍參數來測量不同參數下鍍層鎢含量、顯微硬度、內應力和沉積速率的大小，并最終根據鍍層顯微硬度與內應力評價電鍍過程的電鍍參數，以獲得性能較好的拋光盤電鍍參數。其測試結果如表2所示。

表2 正交實驗結果Tab.2 Orthogonal experimental results

2.2 電鍍參數對鍍層組分的影響

根據EDS 組分結果顯示，合金鍍層中只含有鎳和鎢兩種元素，因此采用鍍層中的鎢含量代替鍍層組分進行分析。圖2為鍍層中鎢含量隨電鍍參數的變化曲線。隨著脈沖頻率的不斷增大，單一脈沖周期內的導通時間和關斷時間在不斷縮短，鍍層鎢含量先減小后增大。當脈沖頻率在50 Hz 以上時，鎢含量維持在1.2 wt.%左右。

圖2 電鍍參數對鍍層鎢含量影響的變化曲線Fig.2 Variation curves of the influence of electroplating parameters on the tungsten content of the coatings

鍍層中鎢含量隨平均電流密度的增大先減小后增大再減小，但在平均電流密度偏大時，鎢含量要比平均電流密度偏小時更大。較大的電流密度意味著陰極具有更高的負電位，有利于金屬鎢在陰極上的還原。

隨占空比的逐漸增大，鍍層中鎢含量也逐漸增大。占空比用于調整同一脈沖周期內的導通時間與脈沖周期的比例，占空比的增大意味著導通時間的延長與關斷時間的縮短，這導致在較低占空比下單位周期內的沉積時間更長。在鍍液中鎢元素濃度較低的情況下，延長單位周期內的沉積時間可以獲得鎢含量更大的鍍層。

表3 電鍍參數對鍍層鎢含量的影響Tab.3 Effect of electrodeposition parameters on W content

2.3 電鍍參數對鍍層顯微硬度的影響

拋光盤鍍層需要較好的耐磨性能，以保證長時間拋光過程中拋光盤的磨損量更低。對于摩擦化學拋光金剛石的拋光盤，其硬度越大，耐磨性能越好［17］。

圖3 為鍍層顯微硬度隨電鍍參數的變化曲線。鍍層顯微硬度隨脈沖頻率的增大先減小后增大。這可能是由于在低頻脈沖時電鍍過程中析氫現象逐漸加劇，導致鍍層金屬晶格產生畸變，對鍍層有強化作用，使鍍層顯微硬度增大。而脈沖頻率較大時，鍍層顯微硬度變大，可能是由于鍍層中鎢含量的提高增強了合金鍍層的固溶強化，導致鍍層顯微硬度增大［18］。

圖3 電鍍參數對鍍層顯微硬度影響的變化曲線Fig.3 Variation curves of the influence of electroplating parameters on the microhardness of the coatings

鍍層顯微硬度隨電流密度的增大先減小后增大，變化幅度相對較小。鍍層顯微硬度增大的原因可能是受到鎢含量增大的影響，但同時占空比的改變對電鍍過程產生了其它影響，如影響晶粒間雜質與空位的含量、晶粒尺寸與鍍層致密性等［19］，最終導致鍍層顯微硬度與占空比呈正相關。

表4 電鍍參數對鍍層顯微硬度的影響Tab.4 Effect of electrodeposition parameters on microhardness

2.4 電鍍參數對鍍層內應力的影響

由于加工過程拋光盤與金剛石劇烈摩擦，硬度低于金剛石的拋光盤磨損較大，因此鍍層還需要具有較大的厚度以保證其具有較長的使役時間。當鍍層內應力較大時，隨鍍層的厚度逐漸增大，會出現因內應力積累而導致金屬鍍層變形甚至開裂的現象，導致鍍層失效［20］，因此需要鍍層具有較小的內應力。

圖4 為鍍層內應力隨電鍍參數的變化曲線。隨脈沖頻率的逐漸增大，鍍層內應力逐漸減小。在脈沖頻率50 Hz 以上時，鍍層內應力變化較小，而當脈沖頻率繼續減小時，鍍層內應力顯著增大。這是由于隨脈沖頻率逐漸減小，連續的導通時間延長，陰極附近析出的氫無法及時脫附，而與金屬離子共同沉積在陰極，形成不穩定的氫化物，在電鍍過程中或鍍后會逐漸分解，在鍍層中留下空穴，導致鍍層形成更大的拉應力［21-22］。

圖4 電鍍參數對鍍層內應力影響的變化曲線Fig.4 Variation curves of the influence of electroplating parameters on internal stress of the coatings

鍍層內應力隨平均電流密度的增大先減小后增大再減小，而總體呈上升趨勢。基于能量過剩理論，在過高電位下沉積的金屬鍍層內儲存著一定的內能，相當于沉積表面上的高溫，在冷卻過程中鍍層的收縮會使鍍層產生拉應力［13］。

隨鍍層占空比的增大，鍍層內應力在不斷減小，這是由于占空比增大，瞬時電流密度減小，使鍍層內應力減小。

表5 電鍍參數對鍍層內應力的影響Tab.5 Effect of electrodeposition parameters on internal stress

2.5 電鍍參數對沉積速率的影響

在鍍層由于內應力過大而失效前，鍍層的厚度主要受電鍍時間和沉積速率影響。為使拋光盤具有更長的使役壽命，需要拋光盤鍍層具有較大厚度。因此為提高制備效率，需要盡可能高的沉積速率。

圖5 為沉積速率隨電鍍參數的變化情況。隨平均電流密度的逐漸增大，鍍層的沉積速率也不斷升高，這是由于平均電流密度的增大使得單位時間內流經的電荷量增大，因此鍍層的沉積速率也隨之升高。且實驗結果表明，脈沖頻率和占空比對沉積速率影響較小。

圖5 電鍍參數對沉積速率影響的變化曲線Fig.5 Variation curves of the influence of electroplating parameters on the deposition rate

表6 電鍍參數對沉積速率的影響Tab.6 Effect of electrodeposition parameters on deposition rate

2.6 拋光盤制備參數的選擇

為驗證鍍層拋光金剛石的可行性，選擇合適的電鍍參數制備拋光盤鍍層。首先由于摩擦化學拋光對拋光盤的磨損量較大，拋光盤需要具有較好的耐磨性，以確保拋光盤鍍層具有較長的使役壽命，因此要求拋光盤的硬度盡可能大；其次拋光盤需要具有一定厚度，因此需要鍍層內應力較低，以確保拋光盤在鍍厚過程中不出現裂紋或剝落；最后在此基礎上要求其沉積速率應盡可能大。根據鍍層性質的變化趨勢，選擇了如表7所示的拋光盤電鍍參數。

表7 拋光盤制備參數與性質Tab.7 Preparation parameters and properties of polishing disc

為驗證拋光盤沿厚度方向成分是否均勻，進行了沿厚度方向鎢含量的測試，測試結果如圖6所示，電鍍拋光盤鎢含量在1.32 wt.%上下浮動，不同厚度下的鍍層中鎢含量均在1.00 wt.%以上，拋光盤鍍層組分相對均勻，鎢含量不隨電鍍時間的延長而逐漸衰減，因此可以通過脈沖電鍍制備大厚度的鎳鎢合金鍍層。

圖6 鍍層鎢含量沿鍍層厚度方向變化曲線Fig.6 Variation curve of tungsten content with coating thickness

3 拋光盤對金剛石拋光效果的驗證

3.1 摩擦化學拋光參數的選擇

金剛石摩擦化學拋光盤設計為圓環狀，外徑54 mm，內徑38 mm，拋光前對合金表面進行精車以確保表面平整。拋光盤轉速為4200 r/min（線速度約10 m/s）；金剛石的壓力為45 N，壓強約為5 MPa，拋光時間約30 min。

3.2 拋光盤拋光金剛石的磨損驗證

拋光過程中，隨著壓力的加載和轉速的提高，金剛石與拋光盤產生劇烈摩擦，二者的摩擦界面處匯聚了巨大的摩擦熱，導致界面溫度急劇升高。在壓力和轉速達到預設值后，當摩擦界面升溫與周圍環境達到一定的傳熱平衡后，出現輕微紅熱現象。

圖7 分別為采用鑄鐵與電鍍拋光盤摩擦化學拋光后的金剛石與拋光盤表面形貌。

圖7 拋光后金剛石與拋光盤表面Fig.7 Surface of polished diamond and polishing disc

鑄鐵盤拋光后金剛石表面劃痕細密，而電鍍盤拋光后金剛石表面有明顯“點蝕”痕跡，即伴隨劃痕產生的微破損區域，根據實驗經驗，這是典型的由在過渡金屬催化下的金剛石表面碳原子產生了熱化學反應去除所形成的［12］。

表8 為不同拋光盤拋光金剛石的去除率與合金盤的磨損量和磨削比。實驗結果表明，在實驗參數下，電鍍拋光盤對金剛石的去除率要高于鑄鐵拋光盤對金剛石的去除率，電鍍拋光盤的磨損量和磨削比均低于鑄鐵拋光盤。

表8 不同拋光盤拋光金剛石的磨損參數Tab.8 Wear parameters of polished diamond with different polishing discs

綜上所述，電鍍拋光盤相對鑄鐵拋光盤具有更好的金剛石摩擦化學拋光性能。

4 結論

（1）采用脈沖頻率為200 Hz、平均電流密度為9 A/dm2、占空比為0.8 的電鍍參數可以獲得顯微硬度達472.76 HⅤ、內應力80.11 MPa 的鎳鎢合金鍍層，在該參數下，制備了厚度達0.35 mm 成分均勻的鎳鎢合金拋光盤；

（2）在拋光盤線速度約10 m/s、金剛石壓力5 MPa 下，電鍍拋光盤對金剛石的去除率高于鑄鐵拋光盤，為0.71 μm/min；且電鍍拋光盤的磨損量與磨削比均低于鑄鐵拋光盤，其磨損量為0.16 g，磨削比94.25。