应用超声波制备了镀层和电镀金刚石工具,测试镀层硬度和金刚石工具的上砂密度,研究结果表明:当电流密度一定时,金刚石工具镀层硬度随超声波功率增强而增加。在金刚石工具制备过程,超声波不适用上砂的全过程。只要金刚石磨粒埋入镀层厚度合适,超声波可以用于金刚石工具的加厚过程,提高工具的制备效率。
关键词：超声波 电镀 金刚石 硬度
电镀金刚石工具常用于硬脆材料的机械加工,目前经常采用普通电镀的方法将镀层与金刚石磨粒结合。应用超声波可以显著提高电镀速度[1]。超声波对电镀过程的强化作用已有一些研究[1～3],但在超声波条件下电镀金刚石工具的制备工艺研究的报道不多见。本文分析了超声波对金刚石工具镀层的硬度上砂及加厚过程的影响,力求为超声波电镀金刚石工具的制备提供实验依据。
1 实验方法
1.1 电镀溶液与工艺www.world-stone.com
本实验的镀液配方为:NiSO4·7H2O,250g/L;NiCL2·6H2O,40g/L;H2BO3,32g/L;C12H25SO4Na,0.08g/L,镀液温度为45℃。工具基体为Φ6mm的圆柱销,镀前基本表面处理工艺流程为:机械处理→水洗→除油→水洗→浸蚀→水洗。
1.2 镀层制备
超声波镀层制备工艺为pH=3.3～3.5,电镀时间t=1h,电流密度Dk=1.0A·dm-2,用KQ-2500B型超声波清洗器实现超声波电镀过程的控制,超声波工作频率40kHz,输入超声波功率为250W,超声波功率范围为40%～100%。
1.3 工具制备
预镀工艺为Dk=1.0A·dm-2,t=15min。在超声波条件下的上砂过程中Dk=1.0～6.0A·dm-2,在无超声波条件下的上砂过程中Dk=0.8A·dm-2,t=1h,金刚石粒度100/120,pH=4.4～4.6。加厚过程中的Dk=1.0A·dm-2,pH=4.4～4.6。先在无超声波条件下加厚一段时间,然后再用超声波继续加厚一段时间。
1.4 测试方法
用XQ-2型金相镶嵌机镶嵌切割后的试件,在PGI型金相试样抛光机上获得金相表面,用HX-I型显微硬度计测量其硬度。用XTL-II型照像体视显微镜观察相同放大倍数视距下的金刚石颗粒数。
2 结果与讨论
2.1 超声波对镀层的影响www.world-stone.com
从外观上看,镀层光亮度由于超声波的加入而显著提高。使用超声波能在普通镀镍溶液中获得光亮镀层。其原因在于,当阴极电流密度高到一定值时,阴极极化急剧增加,导致析氢加剧,pH值上升,阴极出现氢氧化镍溶液;而超声波的空化现象又对这种溶胶起着细化和分散作用以及稳定作用,防止溶胶凝聚和沉淀。在这种情况下,高分散状态的细溶胶可以起到类光亮剂的作用[1]。超声波的空化作用提高了镀层表面平整性,超声波增强,电镀厚度降低,但孔隙率下降[2]。超声波电镀减少镀层孔隙的原因是:空化现象引起强烈的乳化作用,在这种强烈的乳化作用下,氢气泡很难在电极表面上停留和长大[3]。
试件在无超声波条件下加厚,测得镀层厚度339μm,同样试件用超声功率200w加厚时,测得镀层厚度210μm。在有超声波条件下,使用高电流密度进行电镀,与常规电镀相比,可以使镀层较为细致紧密、平整光滑、厚度均匀、无孔隙、与基体结合良好,并且具有较高的强度和硬度[4]。图1为镀层硬度与超声功率的关系图,由图1可知,超声波的功率越强,镀层的硬度越高。
2.2 超声波对上砂过程的影响
经过预镀后,在有超声的条件下,进行上砂过程。当Dk=1～2A·dm-2时,在工具基体上未观察到粘着的金刚石磨粒。当Dk=4～6A·dm-2时,在工具基体上可观察到粘着的少量的金刚石磨粒,镍层发黑,金刚石与镀层的结合力差。当电流密度小于2A·dm-2时,超声波的振动和空化作用使得金刚石磨粒不停振动,无法保证磨粒与工具基体的稳定接触状态,使得工具基体上无砂。而在电流密度大于2A·dm-2时,能少量上砂,但镀层结合力差。因此,超声波不宜用于电镀金刚石工具的上砂过程。
2.3 超声波对加厚过程的影响
为了分析超声波对金刚石工具加厚过程的影响,设置4种实验条件,在不同的磨粒埋入深度条件下,进行超声波电镀。具体实验条件见表1。
结果如图2所示,在实验条件1下,正常上砂后的金刚石工具上的金刚石磨粒大部分被震落,但仍有磨粒保留,工具镀层表面可观察到若干凹坑,这是被震落的金刚石磨粒留下的痕迹;在实验条件2下,可观察到工具镀层表面粘着较多金刚石磨粒,但仍有磨粒脱落;在实验条件3下,工具镀层表面粘着较多金刚石磨粒;在实验条件4下,可观察到工具镀层表面粘着金刚石磨粒,镀层表面未有磨粒脱落,上砂密度较大。
由图2和表1可知,上砂后的工具以无超声加厚1.5h后,再以同样电流密度超声加厚1h,工具镀层上砂密度最大,可观察到金刚石磨粒几乎全部粘着在镀层上。由此可知,在加厚初期只要无超声波加厚的时间合适,即只要金刚石被埋入镀层的厚度合适,则超声波的加入就不会将已镀上的金刚石震落,只会震落浮砂,因而就不会影响金刚石工具的上砂数目。选择合适的条件,超声波是可以用于金刚石工具的加厚过程。
3 结束语
超声波的加入使镀层的硬度增加,镀层致密光亮,孔隙率下降。超声波不宜用于金刚石上砂的全过程。只要加厚初期无超声波加厚的时间合适,即金刚石磨粒埋入镀层的厚度合适,用超声波加厚时,金刚石磨粒不会被震落,就不会影响金刚石工具的上砂数目。在金刚石工具加厚过程中,合理应用超声波,可选用较大的电流密度,有效提高电镀效率。
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