由于金剛石具有高硬度、高強度、高耐磨性以及線膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異的物理化學特性,被用來制作金剛石工具用于加工硬而脆的難加工材料。電鍍法制備金剛石工具是通過金屬的電沉積,將松散的金剛石顆粒固結在電鍍層中,使金剛石顆粒具有切削能力。采用電鍍法制備金剛石工具制造溫度低,避免了對金剛石的熱損失,并且生產(chǎn)工藝簡便,設備投資少,制造周期短,成型方便以及可以修復等。因此,電鍍金剛石制品已有各種砂輪、磨頭、什錦銼、掏料刀、修整滾輪、地質鉆頭、擴孔器、內(nèi)外圓切割片、鉸刀、線鋸等專用工具,在機械、電子、建筑、鉆探、光學玻璃加工等工業(yè)領域得到廣泛應用。

    目前,國內(nèi)外在用電鍍法制備金剛石工具時,存在的主要問題是鍍層胎體金屬與金剛石顆粒間的結合力低,使用中金剛石顆粒受到力的作用時,容易松動脫落,致使使用壽命短。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因是用電鍍法制備金剛石工具時制造溫度低,致使金剛石顆粒表面不易為一般金屬所浸潤,不但得不到強力的化學鍵結合,而且經(jīng)常產(chǎn)生間隙。另外,受電鍍工藝的影響,金剛石工具鍍層金屬可選類型有限(只限于鎳、鉻等少量金屬及其合金),不像熱壓工具所使用的金屬類型那樣廣泛。

    針對以上問題,人們采用了各種措施來解決金剛石與鍍層金屬的結合力。本文綜合介紹了國內(nèi)外近年來發(fā)展起來的改進電鍍金剛石工具性能的方法,并對它們進行了歸納分類,希望能給人一詳細而清晰的認識。

    1.改進胎體材料

    電鍍金剛石工具中,鍍層對金剛石起支撐和結合作用,被稱為胎體或基質金屬,它決定著金剛石顆粒能否充分發(fā)揮切削作用,一般要求它滿足高硬度、高耐磨性和較高的韌性等性能要求,所以人們首先考慮到采用提高胎體材料的性能方法改進金剛石工具。

    1.1胎體金屬的合金化

    雖然單一鍍層(如鎳)具有較高的強度,特別是韌性,但是一般硬度較低,因而人們多采用合金鍍層。

    1.1.1Ni-Co二元合金鍍層

    鈷不僅能提高鎳金屬的強度(鎳鈷合金的胎體抗壓強度為1600MPa),而且能提高胎體金屬的抗熱性能,在800℃時的NiCo二元合金胎體金屬強度極限為500MPa,還能提高胎體金屬的韌性。

    因而NiCo二元合金鍍層成為廣為采用的胎體材料,然而有時NiCo二元合金鍍層的硬度仍是不足,在加工堅硬且研磨性極強的材料時,胎體消耗很快。而且NiCo鍍層只有在鈷含量達到約30%時,才能保證較高的硬度及耐磨性,大量昂貴的金屬鈷增加了成本。

    1.1.2NiMn二元合金鍍層

    金屬錳比鈷更能提高鎳胎體硬度、強度和耐磨性。鎳錳胎體硬度比鎳鈷胎體硬度提高洛氏(HRC)10度左右。合金中錳的含量雖然很少,但對胎體性能影響很大。鎳錳胎體金剛石鉆頭在堅硬強研磨性地層鉆進時,平均壽命和時效分別比鎳鈷胎體鉆頭提高55%和30%,同時,鎳錳胎體鉆頭不需高轉速、大壓力,有利于減少材料的消耗,降低鉆探成本。但是NiMn二元合金鍍層脆性較高,易開裂,使工作層易于碎裂。

    1.1.3NiCoMn三元合金鍍層

    NiCoMn三元合金鍍層具有更高的綜合機械性能。硬度比NiCo高,脆性又比NiMn低,正符合電鍍金剛石制品對胎體的要求。采用NiCoMn三元合金鍍層制作的石材工具比采用NiCo二元合金鍍層制品更加鋒利,更加耐用,特別對硬質石材,更能顯示出優(yōu)勢。因節(jié)約大量昂貴材料鈷,NiCoMn三元合金鍍層成本低。NiCoMn三元合金鍍層的機械性能可在大范圍內(nèi)進行調(diào)整,滿足更廣泛場合的需求。但在獲得NiCoMn三元合金鍍層時,鍍液成分復雜,穩(wěn)定性不易控制。

    1.2胎體金屬的復合化

    復合鍍層是通過共沉積的方法,將一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒、纖維均勻地夾雜到金屬鍍層中所形成的特殊鍍層。由于復合鍍層內(nèi)均勻的彌散著大量固體微粒,這些硬質微粒,會對晶粒之間的滑移產(chǎn)生很大的阻礙作用,使金屬獲得有效的強化。

    1.2.1NiCo細粒金剛石復合鍍層

    在鍍液中加入適量的納米金剛石粉,獲得的NiCo金剛石復合鍍層的硬度明顯提高,硬度可達601.53HV,摩擦磨損性能顯著提高:鎳鈷合金鍍層的摩擦系數(shù)為0.35左右,壽命在摩擦半徑為14mm時平均為0.022km;含納米金剛石粉的NiCodiamond復合鍍層摩擦系數(shù)為0.3左右,鍍層壽命在摩擦半徑為14mm時為0.15km。用NiCodiamond復合鍍層作金剛石鉆頭胎體,制備的金剛石鉆頭在堅硬、強研磨性地層中鉆進,耐磨性好,鉆頭進尺快,壽命長,且能防止孔斜。由于超細金剛石粉體極易團聚,使其效能無法充分發(fā)揮,所以要采取措施對金剛石粉進行分散。這樣必然制約了超細粉體的使用價值和應用前景。

    1.2.2NiCo稀土元素復合鍍層

    少量的稀土化合物的加入可使鍍液和鍍層性能得到不同程度的改善,在電沉積過程中,主要是陽離子吸附在金屬沉積物表面上,而稀土金屬離子在電極上表現(xiàn)出較強的吸附性,稀土金屬離子易于吸附在晶體生長的活性點上,即吸附在晶面的生長點上,有效地抑制晶體的生長,所以在鍍液中添加稀土元素后,能得到晶粒細小的鍍層。用萬能外圓磨床M1420E通過對亮鎳鍍層和加入稀土元素的亮鎳鍍層金剛石工具磨削陶瓷的磨削試驗研究,發(fā)現(xiàn)稀土元素的加入提高了金剛石工具的磨削比。

    亮鎳鍍層金剛石工具耐磨性差,胎體消耗快,不能保證金剛石的高出刃,金剛石脫落快;添加稀土的亮鎳結合劑工具胎體耐磨性提高,對金剛石包鑲較好,金剛石出刃高度大,因此工具的使用效率得到提高。

    1.2.3NiCo納米碳管復合鍍層

    碳納米管(CNTs)具有超高的強度和韌性,作為高級復合材料的增強體,可極大地改善復合材料的強度和韌性。此外,CNTs還有化學穩(wěn)定性好、摩擦因數(shù)低的特性,有望制備具有高耐磨、減磨和耐腐蝕等性能的新一類復合鍍層。觀察復合鍍層的SEM形貌,基體表面被一層濃密的碳納米管覆蓋著,這些碳納米管的一端深深地嵌鑲于基體中,而另一端暴露于基體外,顯然可以對基體起到保護作用。本實驗室正致力于采用該復合鍍層制備電鍍金剛石工具的研究。

    1.3胎體金屬的晶粒細化

    鍍層的結晶過程受制于晶核形成速率與晶粒生長速率。晶核形成速率越快,晶粒生長速率越慢,從而結晶越細,鍍層就越致密,硬度和韌性也就越好。按照電化學理論,陰極電化學極化過電位越大,則越易形成晶核,從而結晶越細,鍍層就越致密。因而人們采用提高電化學極化過電位,細化晶粒,達到改進胎體材料的目的。

    1.3.1細化添加劑

    添加劑加入電解液后,由于它在電極表面上的吸附,增加了電化學極化,被覆蓋的晶粒停止生長,產(chǎn)生新的晶核;新晶粒不久又被覆蓋,再產(chǎn)生新的結核中心,于是能獲得細致的結晶。其次,添加劑在晶體表面上吸附能降低晶體的表面能,因而可以降低微晶的形成,這有利于形成新晶核。細化添加劑主要是磺酸類、亞磺酸類、磺酰胺類、二磺酸類等,例如:糖精、對甲苯磺酰胺、苯亞磺酸、苯磺酸、萘而磺酸鈉等。可以從加入芳香酮類物質添加劑前后鍍層表面的形貌發(fā)現(xiàn),加入添加劑前的晶粒顆粒較大,而且顆粒結晶度較差,晶粒松散,加入添加劑后,晶粒顆粒明顯變小,而且結晶致密。

    1.3.2超聲波法

    利用超聲波能使物質作激烈的強迫機械振動,還能產(chǎn)生單向力的作用。當一定頻率的超聲波通過液體時,尺寸適當?shù)男馀莅l(fā)生共振。在超聲波的稀疏階段,小泡迅速膨脹變大;在稠密階段,小泡又突然被壓縮,直至崩潰。小泡被突然壓縮時,周圍液體以極大速度來填充空穴,附近的液體或固體都會受到上千個大氣壓的高壓,這就是空化現(xiàn)象或空化作用。

    在有超聲波條件下,使用高電流密度進行電鍍,與常規(guī)電鍍相比,可以使鍍層較為細致緊密、平整光滑、厚度均勻、無孔隙、與基體結合良好,并且具有較高的強度和硬度。在頻率為16kHz的超聲場中電鍍鎳,硬度可提高3O～5O。在適當?shù)墓に嚄l件下,也可以使鍍層的內(nèi)應力低于無超聲波電鍍的鍍層。其原因在于,當陰極電流密度高到一定值時,陰極極化急劇增加,導致析氫加劇,pH值上升,陰極出現(xiàn)氫氧化鎳溶液,而超聲波的空化現(xiàn)象又對這種溶膠起著細化和分散作用以及穩(wěn)定作用,防止溶膠凝聚和沉淀。超聲波不宜用于金剛石上砂的全過程,只用于加厚期,當金剛石磨粒埋入鍍層一定厚度時,采用超聲波,金剛石磨粒不會被震落,就不會影響金剛石工具的上砂數(shù)目。

    1.3.3脈沖電鍍與納米胎體材料

    脈沖電鍍是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型的電鍍技術。

    其依據(jù)的電化學原理是:在一個脈沖周期內(nèi),當電流導通時,電化學極化增大,陰極區(qū)附近金屬離子充分被沉積,鍍層結晶細致光亮;當電流關斷時,陰極區(qū)附近放電離子又回復到初始濃度,濃差極化消除。因此,脈沖電鍍是采用一種新型的施電方式。利用電流或電壓脈沖的張馳,降低陰極的濃差極化,從而允許更高的電流密度得到更高的電極極化,終達到細化晶粒的作用。目前電沉積技術已經(jīng)成為納米材料的一種重要制備手段,這些材料具有很高的硬度和較好的韌性,被用來制備金剛石工具時,可使金剛石工具的耐磨性顯著提高。李照美等人采用脈沖電沉積法制備了納米鎳金剛石工具,對其進行磨損破壞性試驗,結果表明脈沖納米鎳金剛石工具的平均壽命明顯高于常規(guī)鎳鈷金剛石工具,約為1.5倍。

    2.提高金剛石與胎體的接觸面積

    2.1采用表面粗化過的金剛石顆粒

    利用粗化法讓金剛石表面形成一些微小凹坑和裂隙,增加金剛石與胎體接觸的表面,以提高金剛石與金屬機械鑲嵌力,增強“機械錨鏈”效應。一種強粗化方法是:用氯基鹽(以NaCl+BaCl2為主)及少量脫氧劑覆蓋在金剛石上面,用陶瓷坩堝加蓋,在爐中加熱至1000℃～1100℃之后進行保溫,然后用沸水去除氯基鹽。對金剛石進行加熱,讓氯基鹽熔融對金剛石腐蝕產(chǎn)生石墨化,使表面形成微小粗糙的凹坑和裂隙。另一種弱粗化方法是:在室溫或加熱狀態(tài)下讓金剛石在粗化液(硝酸+硫酸或硝酸+雙氧水)里侵蝕,并不停的攪拌,然后用蒸餾水清洗干凈。金剛石在強氧化酸的腐蝕下表面會形成一些缺陷(如:坑、裂紋)和輕微石墨化。

    2.2消除工具中金剛石顆粒與胎體間的間隙

    由于金剛石屬于非金屬,與金屬沒有很好的親和力,致使金剛石與一般金屬或合金間有很高的界面能,經(jīng)常產(chǎn)生空隙,降低了金剛石顆粒與鍍層基體之間的結合力。針對這種情況,可以利用顆粒表面改性法、CVD法、超聲波法、化學鍍法來避免或彌補這種空隙。

    2.2.1顆粒表面改性法

    對金剛石顆粒進行氧化處理,使其表面形成親水的化學基團,從而提高金剛石表面的親水性,使金剛石顆粒與鍍層緊密結合。如果通過化學手段,使金剛石表面這些親水基團被一些親水性更高的有機基因取代,就可以進一步提高效果。

    2.2.2化學鍍法

    化學鍍是在無外加電流的條件下,通過自催化過程的氧化?還原反應在金剛石表面沉積金屬,從而形成厚度均勻、致密的薄膜鍍層。實驗發(fā)現(xiàn),采用化學復合鍍技術得到金剛石工具時,金剛石與金屬胎體之間不存在間隙。再輔以超聲波振動在金剛石顆粒周圍會出現(xiàn)膨脹,徹底消除了間隙。微粒金剛石可以直接進行化學鍍法得到工具,它可以在鍍液里均勻懸浮。對于大顆粒金剛石我們建議可先進行電鍍植砂,讓金剛石預先固嵌在鍍層中,加厚過程可采用化學鍍。

    3.提高顆粒與胎體間的化學鍵結合

    通過對金剛石的處理,使其表面的碳原子與金屬原子形成金屬/碳化學鍵,可以徹底解決金剛石工具中金剛石與胎體結合力不牢的問題。

    3.1表面金屬化

    利用化學鍍法對金剛石顆粒進行表面處理,可使金剛石與鍍層形成牢固的緊密連接。

    但如果使金剛石表面全部金屬化,金剛石顆粒表面擁有良好的導電性,不適用于電鍍法制備金剛石工具。在埋砂的過程中,鍍覆的金剛石與鋼基體和鍍層共同構成陰極,就會出現(xiàn)眾多的金剛石顆粒相互粘結在一起形成成塊的現(xiàn)象。因而研究人員采用表面有分散導電質點的金剛石制作電鍍金剛石工具[21]。方法是控制金剛石表面化學鍍的程度,嚴格控制敏化液和活化液的濃度以及敏化和活化處理的時間,使金剛石表面上金屬質點的數(shù)量保持在合適范圍內(nèi)。雖然金剛石表面上導電質點數(shù)量增多,可增加與鍍層金屬間的連接點,提高鍍層與金剛石的結合性能。但當金屬質點過于密集時,會形成連接成片的金屬薄層。

    金剛石化學鍍處理后,金剛石與鎳鈷基鍍層之間的明顯界線消失了,并有一些分散的鎳鈷連接點生長在金剛石與鍍層的結合面上。用經(jīng)活化處理的金剛石制備電鍍金剛石工具,在磨削加工Al2O3陶瓷工件時,材料去除量是未經(jīng)活化處理的1.5倍。但采用這種方法,金剛石顆粒與鍍層間可能只是原始意義上的化學結合,并未達到真正的化學結合鍵,分子間作用力可能占更大比例。

    3.2CVD法

    運用金剛石的CVD沉積技術對制備好的金剛石工具進行修復處理,不僅可使新形成的金剛石沉積于工具中的間隙里,又可以使工具中的金剛石顆粒得到再生機會,表面進一步發(fā)育完善,從而提高顆粒性能。

MPCVD法已經(jīng)成功地被用在電鍍之后的金剛石顆粒與胎體金屬之間出現(xiàn)的空隙修復。在SEM下觀察用平均尺寸為16μm金剛石顆粒制備的電鍍金剛石工具的表面形貌,會發(fā)現(xiàn)有棱角和表面不規(guī)則缺陷,在金剛石顆粒與胎體金屬之間有凹面和空隙。把該工具放進MPCVD系統(tǒng)中沉積,金剛石顆粒平均尺寸增長為25μm,通過SEM觀察金剛石顆粒與胎體金屬之間的間隙得到彌補并且金剛石顆粒表面呈現(xiàn)出規(guī)則和飽滿。采用這種方法對電鍍金剛石工具進行修復,比未修復電鍍金剛石工具具有更高切削力、耐磨性和顆粒結合力。在MPCVD過程中的高溫下,金剛石與胎體間會形成碳-金屬化學鍵,使金剛石顆粒與胎體金屬之間產(chǎn)生強力結合。