電鍍金剛石工具鍍層脫落原因分析

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。

關(guān)鍵詞：電鍍金剛石工具;鍍層;鍍前處理;內(nèi)應(yīng)力

中圖分類號：TQ164文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-1433(2010)02-0032-03

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(yīng)用于機(jī)械電子、玻璃、建材、石油鉆探等行業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)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、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(qiáng)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(jié)合力要求尤為苛刻。在電鍍金剛石工具的生產(chǎn)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(jié)合力的問題。在實(shí)際使用過程中，鍍層脫落的現(xiàn)象屢見不鮮。本文就這一問題進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)象少見。在實(shí)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(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(xiàn)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(shí)鍍層燒焦和鍍層金屬耐磨性差等因素，工具在正常使用過程中，金剛石顆粒脫落直觀表現(xiàn)為工具表面有連續(xù)成片較大的孔洞時(shí)，應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jié)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(jié)合力，僅僅是機(jī)械鑲嵌作用，結(jié)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(shù)還可控制鍍層金屬結(jié)晶的粗細(xì)、致密度以及鍍層內(nèi)應(yīng)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-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(nèi)應(yīng)力的影響鍍層內(nèi)應(yīng)力是在電沉積過程中產(chǎn)生的，溶液中的添加劑及其分解產(chǎn)物和氫氧化物均會增加內(nèi)應(yīng)力。這種應(yīng)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(jī)添加劑的作用，會顯著增加鍍層的內(nèi)應(yīng)力。鍍層內(nèi)應(yīng)力有宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力兩類。宏觀應(yīng)力表現(xiàn)在將一金屬薄片進(jìn)行單面電鍍，薄片受鍍層內(nèi)應(yīng)力影響而產(chǎn)生彎曲。微觀應(yīng)力則主要通過提高鍍層硬度表現(xiàn)出來。

宏觀應(yīng)力能引起鍍層在貯存、使用過程中產(chǎn)生氣泡、開裂、脫落等現(xiàn)象。

對于電鍍鎳或鎳-鈷合金而言，不同的鍍液組成，內(nèi)應(yīng)力相差懸殊，氯化物含量越高，內(nèi)應(yīng)力越大。對于主鹽為硫酸鎳的鍍液而言，瓦特類鍍液內(nèi)應(yīng)力均小于其他類鍍液。通過添加有機(jī)光亮劑或應(yīng)力消除劑，可顯著減小鍍層的宏觀內(nèi)應(yīng)力而增加其微觀內(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力。因此，要減少內(nèi)應(yīng)力的影響必須嚴(yán)格控制鍍液的工藝范圍，這樣才能保證鍍層的內(nèi)應(yīng)力在工藝要求的范圍內(nèi)。

(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(yuǎn)存在一定量的氫離子。因此，在條件適當(dāng)?shù)那闆r下，無論在酸性、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(nèi)應(yīng)力，也使鍍層顯著變形。此時(shí)，雖然從外觀上看不出缺陷，但它的機(jī)械性能是不合格的。工具在使用過程中，當(dāng)周圍介質(zhì)的溫度升高時(shí)，聚集在基體金屬或鍍層金屬內(nèi)的吸附氫會膨脹而使鍍層產(chǎn)生鼓泡、脫落的現(xiàn)象。

電鍍鎳，陰極電流效率為95%時(shí)，只有5%為析氫反應(yīng)。但是若溫度過高，PH值過低，各組分不當(dāng)均會使析氫加劇。因此，如何控制電鍍時(shí)的析氫反應(yīng)以控制鍍層內(nèi)應(yīng)力是一個(gè)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(gè)重要原因。

電鍍金剛石工具的電鍍生產(chǎn)過程與其他類型的電鍍有著較大的區(qū)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(gè)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(shí)間后，需觀察底鎳的質(zhì)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(shí)需要離開鍍槽，在另一槽內(nèi)進(jìn)行;加厚過程中觀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(jìn)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(jié)合力。工具在使用過程中，外作用力大于這兩層間的結(jié)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(xiàn)象的出現(xiàn)。

4·解決鍍層脫落的措施

針對上述鍍層脫落的原因，筆者認(rèn)為可采取以下措施解決鍍層脫落的問題：

(1)強(qiáng)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(jié)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(xiàn)象，對于形狀復(fù)雜的工件采用短時(shí)間大電流沖擊空鍍，以減少鍍層內(nèi)應(yīng)力和析氫現(xiàn)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(nèi)卸砂、加厚或在一備用槽內(nèi)帶電卸砂，以提高金剛石顆粒與鍍層間的結(jié)合力。若在加厚過程中遇停電現(xiàn)象，重新加厚時(shí)，工件應(yīng)放入電解液中進(jìn)行陰極還原，還原后帶電入槽電鍍以保證鍍層結(jié)合力。

5·結(jié)論

在電鍍金剛石工具的生產(chǎn)過程中，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(yīng)充分注意鍍層內(nèi)應(yīng)力，定性測量鍍層內(nèi)應(yīng)力以及各種添加劑對內(nèi)應(yīng)力的影響。同時(shí)在生產(chǎn)過程中應(yīng)充分重視鍍前處理的各個(gè)步驟，生產(chǎn)工藝控制規(guī)范，確保鍍液潔凈、雜質(zhì)含量在工藝范圍內(nèi)，只有這樣才能保證生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、質(zhì)量穩(wěn)定的電鍍金剛石工具。