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電鍍金剛石工具鍍層脫落的原因分析

人氣：152發(fā)表時(shí)間：2018-01-09【大 中 小】
       
       1、前言
        電鍍金剛石工具是指通過(guò)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(yè)。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(cháng)、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(gè)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(jìn)刀量都是控制在0.3mm左右；陶瓷行業(yè)的大進(jìn)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(chǎn)過(guò)程中，大部分廠(chǎng)家都只注意到了鍍層金屬的種類(lèi)、硬度、耐磨性，而往往忽視鍍層金屬與基體結合力的問(wèn)題。在實(shí)際使用過(guò)程中，鍍層脫落的現象屢見(jiàn)不鮮。本文就這一問(wèn)題進(jìn)行了原因分析，并對解決措施略作探討。
       2、鍍層脫落的種類(lèi)
       電鍍金剛石工具在使用過(guò)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(huì )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，鍍層一次性企剝離的現象少見(jiàn)。在實(shí)際使用過(guò)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(shí)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(guò)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(huì )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(shí)鍍層燒焦和鍍層金屬耐磨性差等因素，工具在正常使用過(guò)程中，金剛石顆粒脫落直觀(guān)表現為工具表面有連續成片較大的孔洞時(shí)，應是此類(lèi)鍍層的脫落。
        3、鍍層脫落的原因
        電鍍金剛石工具在制造過(guò)程中牽涉多道工序，任何一道工序進(jìn)行得不充分，都會(huì )造成鍍層脫落。
       1、鍍前處理的影響
       鋼基體在進(jìn)入電鍍槽之前的處理工序稱(chēng)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(cháng)，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(huì )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。
       2鍍液的影響
       鍍液的配方直接影響鍍層金屬的種類(lèi)、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(chǎn)而言，絕大部分采用鎳或鎳一鈷合金，若不考慮鍍液雜質(zhì)的影響，影響鍍層脫落的因素有：
      （1）內應力的影響鍍層內應力是在電沉積過(guò)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(huì )增加內應力。這種應力是在電鍍過(guò)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(huì )顯著(zhù)增加鍍層的內應力。鍍層內應力有宏觀(guān)應力和微觀(guān)應力兩類(lèi)。宏觀(guān)應力表現在將一金屬薄片進(jìn)行單面電鍍，薄片受鍍層內應力影響而產(chǎn)生彎曲。微觀(guān)應力則主要通過(guò)提高鍍層硬度表現出來(lái)。
       宏觀(guān)應力能引起鍍層在貯存、使用過(guò)程中產(chǎn)生氣泡、開(kāi)裂、脫落等現象。
        對于電鍍鎳或鎳一鈷合金而言，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(lèi)鍍液內應力均小于其他類(lèi)鍍液。通過(guò)添加有機光亮劑或應力消除劑，可顯著(zhù)減小鍍層的宏觀(guān)內應力而增加其微觀(guān)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(wú)論在酸性、中性或堿性的電解液中進(jìn)行電鍍，在陰極上與金屬析出的同時(shí)，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，造成很大的內應力，也使鍍層顯著(zhù)變形。此時(shí)，雖然從外觀(guān)上看不出缺陷，但它的機械性能是不合格的。工具在使用過(guò)程中，當周?chē)橘|(zhì)的溫度升高時(shí)，聚集在基體金屬或鍍層金屬內的吸附氫會(huì )膨脹而使鍍層產(chǎn)生鼓泡、脫落的現象。
        電鍍鎳，陰極電流效率為95時(shí)，只有5為析氫反應。但是若溫度過(guò)高，PH值過(guò)低，各組分不當均會(huì )使析氫加劇。因此，如何控制電鍍時(shí)的析氫反應以控制鍍層內應力是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。
       3、電鍍過(guò)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(guò)程中的斷電是造成鍍層脫落的一個(gè)重要原因。
       電鍍金剛石工具的電鍍生產(chǎn)過(guò)程與其他類(lèi)型的電鍍有著(zhù)較大的區別。電鍍金剛石工具的電鍍過(guò)程包括空鍍（打底）、上砂、加厚過(guò)程。在各個(gè)過(guò)程中都存在著(zhù)基體離開(kāi)鍍液，即或長(cháng)或短的斷電的可能。比如說(shuō)空鍍一定時(shí)間后，需觀(guān)察底鎳的質(zhì)量及金剛石在基體上是否均勻分布；上述過(guò)程中若上砂有植砂和卸砂步驟，卸砂有時(shí)需要離開(kāi)鍍槽，在另一槽內進(jìn)行；加厚過(guò)程中觀(guān)察金剛石覆蓋率是否到位等等。短時(shí)間斷電，對鍍層影響不大，若斷電時(shí)間過(guò)長(cháng)，鍍層金屬表面就會(huì )在瞬間生成一層致密的氧化膜，使隨后進(jìn)行的電沉積金屬原子不能沿著(zhù)原有的金屬晶格生長(cháng)，影響兩者的結合力。工具在使用過(guò)程中，外作用力大于這兩層間的結合力時(shí)，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(wèn)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(cháng)，提高鍍層金屬與基體金屬間的結合力。
     （2）優(yōu)化鍍液配方和電鍍工藝、采取帶電入槽，防止雙極性現象，對于形狀復雜的工件采用短時(shí)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(zhì)量。
     （3）優(yōu)化工藝、工序，減少卸砂時(shí)的斷電時(shí)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(guò)程中遇停電現象，重新加厚時(shí)，工件應放入電解液中進(jìn)行陰極還原，還原后帶電入槽鍍以保證鍍層結合力。
      5、結論
       在電鍍金剛石工具的生產(chǎn)過(guò)程中，在選定某一組成的鍍液配方時(shí)，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(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中應充分重視鍍前處理的各個(gè)步驟，生產(chǎn)工藝控制規范，確保鍍液潔凈、雜質(zhì)含量在工藝范圍內，只有這樣才能保證生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、質(zhì)量穩定的電鍍金剛石工具。
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