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金刚石线锯制造工艺研究

admin 人造钻石 2020年07月29日

  金刚石线锯制造工艺研究_材料科学_工程科技_专业资料。电镀金刚石线锯的制造工艺研究

  56 工 具技 术 电镀金刚石线锯的制造工艺研究 高伟 , 窦百香, 李艳红, 刘伟 青岛科技大学 摘要 : 利用复合电镀法 , 以直径 0 3mm 的琴钢丝为基体 , 选取 400# 的金刚石作为磨料 , 选 用瓦特型 镀液 , 采 用 埋砂 法制造金刚石线锯。利用显微镜测试了镀层厚度 , 利 用体视 显微镜 观察了 线锯形貌。 结果表 明 , 上 砂电流 密 度在 2 0A/ dm2, 上砂时间 20min 时能够获得金刚石磨粒分布均匀、 与基体结合力好 的金刚石线 锯 ; 给 出了本实验 条 件下制造电镀金刚石线锯的最佳电镀工艺参数。 关键词 : 电镀 ; 金刚石线锯 ; 制造工艺 中图分类号 :TG717 文献标志码 : A Study on Manufacturing Process of Electroplated Diamond wire Saw Gao Wei, Dou Baixiang, Li Yanhong, Liu Wei Abstract : A composite electroplating process was used to electroplated diamond wire saw. Piano wire was chosen as the plat ed core of the electroplated diamond wire and the diamond size was 400# . Putting the wire into diamond abrasives and Watt type solution were used to manufacturing the diamond wire saw. The coating thickness and morphology of the diamond were analyzed by microscope and stereomicroscope. The results show that the current density of the Ni diamond composite electroplating in the range of 2. 0A/ dm2 and the time of the Ni diamond composite electroplating was 20min, diamond abrasives will be distributed well and the coating had better adhesion to the substrate. The optimum process parameters of manufacturing the diamond wire saw were con firmed. Keywords: electroplated; diamond wire saw; manufacturing process 1 引言 重的硬脆材料[ 4] 。本文利用复合电镀法研究了电镀 金刚石线锯的制造工艺 , 并给出了制造电镀金刚石 线锯的最佳工艺参数。 随着硬脆材料应用的日益广泛, 对其加工要求 也越来越高, 特别是对单晶硅、 宝石等贵重硬脆材料 的精密切割加工要求越来越高。然而, 我国的硬脆 材料高效精密切割加工还处在发展阶段, 加工效率 较低 , 材料浪费严重。目前, 在硅晶体等硬脆材料的 切割中主要采用游离磨料线锯切割技术, 即边切割 边向钢丝送 带有磨 料的浆 液 ( 金刚 石或碳 化硅 浆 液) 。但是游离磨料线锯切割技术具有明显的缺点 : 切割效率低, 锯口损耗大 , 表面粗糙度和面型精度难 以控制, 浆液回收困难, 工作环境恶劣等等[ 1] 。 为解决上述问题 , 固结磨料线锯的研究越来越 受到国内外研究者的关注, 特别是电镀金刚石线锯 和树脂结合剂线] , 但树脂结合剂线锯 的耐磨性和耐热性不如电镀金刚石线锯好。金刚石 线锯是将高硬度、 高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀 的方式牢固地把持在钢丝基体上而制成的一种切割 工具。此外, 电镀金刚石线锯具有切割效率高、 锯切 力小、 锯缝整齐、 切面光整、 出材率高、 噪音低, 对环 境污染小等优点 , 不仅适用于加工石材、 玻璃等普通 硬脆材料 , 而且特别适合锯切陶瓷、 宝石、 水晶等贵 收稿日期 : 2008 年 11 月 2 锯丝的制备 锯丝基体采用强度高、 柔韧性好的直径 0 3 钢 琴丝 , 金刚石采用英国 De Beers 公司提供的 400# 的 天然金刚石磨料。本实验制造的电镀金刚石锯丝长 度为 300mm。电镀金刚石锯丝的制备工艺流程如图 1 所示。 图 1 电镀金刚石锯丝 制备工艺流程图 2. 1 前处理 实验前要对基体进行前处理。前处理的目的是 去掉锯丝基体上的油污和氧化层, 提高基体和镀层 间的结合力。电镀金刚石线锯的前处理工序与普通 电镀的前处理工序基本相同。前处理的主要工序如 图 2 所示。 图 2 前处理的 主要工序 先用 400# 的砂纸将基体表面较厚的氧化皮磨 2009 年第 43 卷 7 57 时间为 30min, 电流密度分别为 0. 5A/ dm2 、 1A/ dm 2、 2 2 1. 5A/ dm 、 2A/ dm , 然后将锯丝缠绕在直径为 20mm 的圆柱上观察镀层的裂纹与剥离现象, 来评价镀层 与基体的结合力。通过实验 1 确定了最佳预镀电流 密度。 实验 2 为镀层厚度与时间的关系。实验采用的 2 电流 密 度 为 1. 5A/ dm , 预 镀 时 间 分 别 为 10min、 20min 、 30min 、 40min、 50min, 通过实验 2 得出了镀层 厚度与时间的关系曲线 , 从而确定了预镀时间。 2. 4 上砂 经过预镀之后就可以进行上砂了, 上砂是把刚 石磨粒电镀到预镀的镍镀层上, 是电镀金刚石线锯 制作中最关键的一步。上砂一般分为埋砂法和落砂 法。埋砂法是将锯丝基体埋入砂槽中, 轻轻晃动砂 槽使金刚石磨料与锯丝基体紧密接触, 确保上砂均 匀。落砂法是采用搅拌的方法使金刚石磨料悬浮在 镀液中对锯丝基体进行上砂的方法。由于不锈钢丝 基体为圆柱形 , 落砂法很难保证在钢丝表面均匀地 沉积金刚石磨料, 所以实验采用埋砂法。 影响金刚石密度的因素有上砂电流密度及上砂 时间。当上砂时间为 20min 时 , 改变阴极电流密度, 研究阴极电流 密度对锯丝表面金刚石 磨料密度影 响。上 砂 电 流 密 度 分 别 为 0. 5A/ dm2 、 1 0A/ dm 2、 2 2 2 1 5A/ dm 、 2 0A/ dm 、 2 5A/ dm , 通过实验确定了金 刚石磨料分布均匀的最佳上砂电流密度。当上砂电 流密度为 2 0A/ dm2 时 , 通过改变上砂时间得出金刚 石磨料分布均匀的最佳上砂时间, 实验采用的上砂 时间分别为 20min 、 30min、 40min、 50min 。 2. 5 加厚 上砂后, 便可进行加厚。加厚就是随着电镀时 间的加长 , 使镀层沉积到一定的厚度。理想的厚度 是将金刚石粒径的 2/ 3 埋在镀层里。在 1 5A/ dm2 的电流密度下, 按时间公式计算出理论加厚时间为 t= 1000[ 6] D k kK 掉; 再用金属清洗剂配制的碱液煮沸 30min, 除去基 体表面的油污; 然后将冲洗干净的钢丝放到 10% 的 盐酸溶 液浸蚀 5min, 除 去基体 上残留 的氧 化皮 和 锈; 最后用去离子水清洗干净。 # 磨料选 择 400 的金 刚石 , 磨 粒直 径为 38 m 。 金刚石在使用之前要经过磁选处理 , 金刚石由于有 磁性包裹体的存在, 在电镀中容易引起镍瘤, 因此在 电镀前应用磁铁将磁感应较大的金刚石除去。水对 金刚石的浸润性较差 , 由于界面张力的作用, 使金刚 石在镀液中漂浮 , 影响上砂, 所以在上砂前要对金刚 石使进行碱洗和酸洗 , 以提高金刚石的亲水性 , 还能 除去金刚石表面的 杂质。本实 验采用的处理 方法 为: 将金刚石磨料放入 NaOH 溶液中煮沸 10min, 除 去金刚石表面的油污 ; 再放入浓 HNO3 溶液 中浸泡 24 小时 , 去除表面杂质, 同时使金刚石表面 变得粗 糙, 达到亲水目的; 最后用去离子冲洗后用镀液浸泡 以备使用。 2. 2 镀液的成分及电镀设备 实验选用瓦特型镀液进行电镀金刚石线锯, 具 体的镀液组成见表 1。 表 1 镀液组成 名称 浓度 ( g/ L) 硫酸镍 250 硼酸 35 氯化镍 十二烷基硫酸钠 30 0. 1 1. 4 丁炔 二醇 1. 0 实验在自制的电镀设备上进行, 电镀电源采用 HY1711 型直流电源, 电压和电流分别可在 0- 30V 和 0- 1 2A 的范围内连续可调。为提高电流调整的 精确度 , 串联一个 0- 500mA 的电 流表。电镀 时采 用水浴加热 , 电镀槽用 4mm 厚的硬 PVC 板制成 , 电 镀槽尺 寸 为 400mm 150mm 200mm 。砂 槽 使 用 1mm 厚的硬聚氯乙烯板 , 用树脂胶粘 结而成, 要求 越小越好, 但又必须保证基体在砂槽中放置时与砂 槽内 壁保持 2- 3mm 左 右。砂 槽尺寸 为 300mm 30mm 35mm。砂槽个表面尽可能多的钻上直径为 3mm 的小孔, 打磨平后将 400# 尼龙网用胶粘在砂槽 内壁。采用四条稳固的 PVC 脚腿支起砂槽, 使其不 与电镀槽底直接接触 , 以增加透气性。镀液温度为 35 , 镀液温度由 TDA 系列温度显示调节仪控制。 镀液的 PH 值为 4. 5。 2. 3 预镀 锯丝基体经过前处理后可以进行预镀镍, 预镀 的目的是为了在基体与金刚石 之间增加一个 过镀 层, 增加镀层与基体的结合力。镀层与基体的结合 力是影响工具寿命的重要因素 , 镀层结合力大小与 预镀电流密度的大小有密切关系。实验 1 为预镀电 流密度对锯丝镀层结合力的影响。实验采用的预镀 式中 t Dk 电镀时间( h) 镀层厚度 ( 对于电 镀金刚石来 说厚度 取金刚石颗粒的平均粒径 mm) 金属比重 ( 对于镀镍取 8. 8g/ cm 3 ) 电流密度 ( 一般取 1. 5A/ dm 2) 电流效率( 镀镍时取 95% ) K 电化当量( 镍的电化当量为 1. 095) 计算结果为 2h, 通过实验得出, 当加厚时间为 1 2h 时 , 得到的镀层厚度能将金刚石粒径的 2/ 3 埋 在镀层里。理论加厚时 间和实际加厚 时间差别很 大 , 其原因 是金刚 石的存 在占了 总体积 的 50% 左 58 右, 因此, 缩短了电镀时间。 2. 6 后处理 电镀结束后 , 取出锯丝用去离子水冲洗干净, 进 行除氢处理。电镀过 程中, 总会有 H 在阴极 上还 原为 H 原子 , 其中一部分形成 H 2 排出, 另一部分则 以 H 原子形态渗入到基体和镀层的金属晶格中, 即 渗氢。渗氢使晶格歪曲, 因此产生很大的内应力, 发 生 氢脆 现象。为了预防电镀金刚石线锯在使用时 发生氢脆现象, 电镀完成后就要立刻进行除氢处理 , 一般是将锯丝放在烘箱中加热至 200 并保温 2 小 时。 + 工 具技 术 镜拍摄的此参数下的镀层厚度。 图 4 镀层 厚度 3. 2 上砂电流密度对上砂金刚石密度的影响 当上砂时间为 20min 时, 改变阴极电流密度 , 研 究阴极电流密度对锯丝表面金刚石磨料密度影响。 当阴极电流密度为 0. 5A/ dm 2 时 , 金刚石磨粒之间的 间隔较大 ( 见图 5a) 。当阴极电流密度为 1. 0A/ dm2 时 , 锯丝表 面的金刚石磨料浓 度增大, 但是分布均 匀 , 没有出现团聚状态 ( 见图 5b) 。当阴极电流密度 为 1 5- 2 0A/ dm2 时, 磨粒浓度没有明显变化, 分布 均匀 ( 见图 5c、 d) 。当电 流密度为 2 5A/ dm 时, 出 现烧焦的现象。 2 3 电镀工艺参数对锯丝质量的影响 3. 1 预镀电流密度及预镀时间 预镀电流密度对镀层结合力的影响见表 2。 表 2 预镀电流密度对 锯丝镀层结合力的影响 序号 1 2 3 4 电流密度 ( A / dm 2) 0. 5 1 1. 5 2 弯曲后观测镀层表面结果 表面产生细裂纹 结合牢固无裂纹和剥落现象 结合牢固无裂纹和剥落现象 镀层出现剥离 2 由表 2 可以看出, 当阴极电流密度为 0. 5A/ dm 时, 弯曲后镀层表面产生微细裂纹 , 这是因为电流密 度过低, 阴极极化作用小 , 镀层结晶晶粒较粗而导致 的。当电流密度在 1. 0- 1. 5A/ dm2 时能够获得较好 的镀层结合力, 这时电流密度使镀层结晶细致紧密 , 内应力小, 所以弯曲时无裂纹和剥落现象。当电流 密度为 2. 0A/ dm 时 , 由于超过了获得良好镀层的电 流密度上限, 阴极析氢严重使镀层结晶不规律 , 内应 力过大, 因此, 弯曲后镀层出现剥离现象。所以, 为 了提高电镀效率 , 取预镀电流密度为 1. 5A/ dm2 。 2 ( a) 0. 5A / dm2 ( b) 1. 0A/ dm 2 ( c) 1. 5A / dm2 ( d) 2. 0A/ dm 2 图5 阴极电流密度对上砂金刚石密度的影响 图3 镀层厚度与时间的关系 图 3 是镀层厚度与时间的关系曲线, 在开始电 镀时 , 由于钢丝基体直径较小 , 所以镀层厚度增加较 快, 随着电镀过程的进行 , 被镀件的直径逐渐增加 , 因为电流密度不变, 所以被镀件的直径变化较缓慢 , 及镀层厚度增加量逐渐减少。反应在图上即为镀层 增长厚度的斜率逐渐减小。 [ 5] 预镀层厚度一般为 1- 3 m , 本实验获得的预 镀层 厚 度 为 3 m, 由图 3 可 以 看 出, 电 流 密 度 在 1 5A/ dm 2 时 , 预镀时间为 10min 。图 4 是利 用显微 由于镀层的生长速度随着电流密度的增大而增 大 , 当电流密度为 0 5A/ dm 2 时 , 镀层的生长速度较 慢 , 部分磨粒在上砂过程中埋入深度太浅而在卸砂 过程中脱落, 因此在复合镀层中沉积的磨粒相对较 少。当电流密度在 1 0A/ dm 2 - 2 0A/ dm2 时, 镀层中 沉积的金刚石数量基本稳定 , 而且分布均匀, 没有出 现镍瘤等不良现象。当阴极电流密度增加到 2 5A/ dm 2 时 , 出现烧焦现象 , 这说明已经超出了获得良好 镀层允许的电流密度上限。电镀质量差或难以镀上 金刚石磨料, 将严重影响锯丝的切削能力和使用寿 命。因此 , 上砂电 流密度在 1. 0 A/ dm 2 - 2. 0A/ dm2 2009 年第 43 卷 7 59 时, 均能获得质量较好的线锯 , 为了提高电镀效率 , 选用的最佳阴极电流密度为 2. 0A/ dm 2。 3. 3 上砂时间对上砂金刚石浓度的影响 上砂时间过长, 会使金刚石颗粒的密度过大, 并 且使金刚石的出刃高度产生较大差别, 增大锯丝直 径。当金刚石密度过大时, 镀层中镍的含量将大大 减少 , 甚至金刚石之间产生直接接触, 从而使镍镀层 对金刚石的把持力大大降低, 金刚石颗粒容易脱落。 实验发现: 当上砂时间超过 40min 时, 金刚石密度会 大大增加。图 6a、 图 6b、 图 6c、 图 6d 分别为上砂时 间 20min 、 30min、 40min 和 50min 时用数码相 机在体 视显微镜上拍摄的锯丝形貌照片。从照片上可以看 到, 图 6a、 图 6b 所示的锯丝上金刚石颗粒分布均匀 , 图 6c 和图 6d 所示的锯丝金刚石密度过大 , 部分金 刚石颗粒紧密相连, 这时的线锯切割能力差。因此 , 最佳的上砂时间为 20min 。 # ( a) ( b) ( c) 图 7 电镀金刚石锯 丝的外观形貌 4 结语 ( a) ( b) 本文以直 径为 0 3mm 的琴钢 丝为基 体, 选取 400 的金刚石为磨料, 磨粒直径为 38 m, 以瓦特型 镀液为电镀液, 采用埋砂法研制了电镀金刚石线锯。 实验表明, 所获镀层与基体结合力良好、 金刚石磨粒 分布均匀的电镀金刚石线锯的最佳工艺参数为: 镀 液温度为 35 , PH 值为 4 5, 预镀预镀电流密度为 2 1 5A/ dm , 预 镀 时 间 为 10min, 上 砂 电 流 密 度 为 2 0A/ dm 2 , 上 砂 时 间 为 20min, 加 厚 电 流 密 度 为 1 5A/ dm 2 , 加厚时间为 1 2h, 在电 镀结束后将锯丝 放在烘箱中加热 200 并保温 2 小时。 参考文献 [ 1] Chiba Y, Tani Y , Enomoto T , Sato H. Development of a High Speed M anufacturing Method for Electroplated Diamond Wire Tools [ J] . Annals of the CIRP, 2003, 1 ( 52) : 281- 284. [ 2] Jun Sugawara, Hiroshi Hara and Akira Mizoguchi. Development of Fixed Abrasive Grain Wire Saw with Less Cutting Loss[ J] . Sei Tech nical Review, 2004, 7: 8- 11. [ 3] Toshiyuki Enomoto, Yutaka Shimazaki, Yasuhiro Tani, et al . De velopment of a Resinoid Wire Containing Metal Powder for Slicing a Silicon Ingot[ J] .Annals of the CIRP, 1999, 48 ( 1) : 273- 276. [ 4] 高伟 . 环形电镀金刚 石线锯的 制造及 其切 割技术 与机 理 的研究 [ D] . 山东大学 , 2002. [ 5] 唐春华 . 电镀 金 刚 石工 具 工艺 [ J] . 电镀 与 涂 饰 , 2004, 4 ( 23) : 61- 64. [ 6] 梁时骏 , 梁 启民 . 电镀 层厚 度 的简 便计 算 [ J] . 电镀 与 精 饰 , 1999, 6: 23- 25. 第一作者 : 高伟 , 博士 , 副 教授 , 青岛 科技 大学机 电工 程 学院 , 266061 山东省青岛市 First Author : Gao Wei, Doctor, Associate Professor, Qingdao U niversity of Science and T echnology, College of Electromechanical Engineering ,Qingdao 266061, Shandong , China ( c) ( d) 图6 上砂时间对上砂密度的影响 3. 4 加厚时间对金刚石埋入深度的影响 加厚时间不宜太短或太长。加厚时间太短 , 金 刚石颗粒埋入镀层过少, 这时镀层对金刚石颗粒的 把持力差, 金刚石颗粒容易脱落 , 如图 7a 所示 , 其加 厚时间为 30min。图 7b 的加厚时间为 3 5h, 从图片 中可以看出, 由于加厚时间过长, 部分金刚石颗粒几 乎完全埋入镀层中 , 这时的金刚石线锯切割能力较 差。最佳加厚时间为 1 2h, 如图 7c 所示 , 由图可以 看出 , 金刚石磨粒埋入镍镀层中的深度合适。 按照上述确定的最佳工艺参数进行电镀金刚石 锯丝实验, 得出电镀金刚石锯丝外观形貌照片如图 7c 所示。从图中可以看出, 金刚石磨粒分布比较均 匀, 埋入镀层深度适中, 说明了上述实验参数是可行 的。


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