电镀金刚石工具工艺 (转)
前言
金刚石复合镀层是用电镀的方法将金刚石共沉积在金属镀层中,金刚石不参与任何化学反应。这种复合镀层的组合形式有:金刚石/ Ni 、金刚石/ Ni2Co 、金刚石/Ni2Co2Mn 等。当金属离子不断在阴极表面析出时,微粒逐步进入阴极表面,继而被沉积的金属所埋入,经过上砂、增厚等步骤,最终将金刚石固定在基体上,并形成具有锋利工作面的复合镀层,成为电镀金刚石工具。其普遍采用Ni2Co 或Ni2Co2Mn 合金镀层。
电镀金刚石工具结合力强、磨削效率高、形状误差小且容易保持,但工作层较薄,使用寿命较低,主要用于玻璃、陶瓷、石材、贝壳、珠宝玉器、半导体材料以及硬质合金的磨削、磨边、套料、打孔、雕刻、修磨等。
2 金刚石复合镀层的结构及作用
金刚石复合镀层组成为空镀层/ 上砂镀层/ 增厚镀层/ 亮镍镀层(称单层电镀金刚石复合层) ,或空镀层/ 上砂镀层/ 增厚镀层/ 上砂镀层/ 增厚镀层/ 亮镍镀层(称双层电镀金刚石复合层) 。一般粒度粗的金刚石进行单层电镀,粒度细的金刚石进行双层电镀,主要根据用户要求而定。
2.1 空镀层
工件经前处理后,电镀的一层薄薄的金属镍(1～3μm) 称空镀层,可使镀层与基体充分接触,以增强结合力。如果省去空镀层,则基体上有一部分表面与磨料接触,这就减小了镀层与基体的接触,导致镀层与基体结合强度下降。
2.2 上砂镀层
它使紧挨着基体表面的一层磨粒初步把持在基体上,以便随后进行大电流厚镀。上砂镀层厚度一般在几至几十微米范围内,且要求其均匀且不能发黑(特别是工件R 处) 。
2.3 增厚镀层
增厚镀层是复合镀层的主体,起固结磨粒的作用,其厚度占镀层总厚度的8 %左右。它将磨粒埋入镀层的2/ 3高度,埋入率为50 %～70 %左右。磨粒还有一部分在镀层外面,外露部分的尺寸相当于平均粒径的1/ 3 左右。各种电镀金刚石工具的磨粒埋入率不尽相同,如手工用的指甲锉为50 %左右,磨头、牙钻、砂轮等在70 %以上。
2.4 光亮镀层
对于大多数电镀金刚石工具来说,其外表面闪镀一层薄亮镍,对非电镀面起到装饰与防护作用。镀层宜薄,否则会使金刚石包裹过度而影响工具磨削能力。
3 工艺规范与流程
3.1 电镀工艺规范
按电解液作用可将其分为空镀液、上砂液和增厚液,但实际工作中,一般将空镀液和上砂液混用(简称上砂液) ,增厚液单独使用。
3.2 工艺流程及各工序规范
除油(3 %金属清洗剂、40～50 ℃、浸泡擦洗) →水洗→除油除锈(稀盐酸+ 适量表面活性剂、常温、10 min) →水洗→化学除油(3 %脱脂剂、40～50 ℃、10～20 min) →水洗→热风吹干→焊导线( 非装夹工件) →电解除油(3 %脱脂剂、50～60 ℃、3～10 A/ dm2 、阴极除油3 min 后阳极再进行除油1 min) →水洗→热风吹干→绝缘( 涂PVC 涂料2～3 遍,每层薄而均匀,每次干透后再涂,也可包扎塑料带,但工件装夹的部分应避免绝缘的非镀面被遮挡亦免绝缘) →装夹( 适用装夹工件) →强腐蚀( w(HCl) 为30 %的盐酸溶液、常温、3～15 min) →水洗→阳极腐蚀( w (H2SO4) = 27 %的硫酸溶液、16～24 A/ dm2 、常温、015～1 min ,适用非装夹工件) →空镀(上砂液、018～1 A/ dm2 、40～44 ℃、0 、5～1 h) →将工件提出槽液面目视检查→上砂(同槽012～016 A/ dm2 、40～44 ℃、0125～1 h) →清砂(将工件提出液面,用纯净水洗瓶喷淋) 砂子洗入砂盘内) →检查出槽→增厚( 增厚液, J = 014 ～1 A/ dm2 、40～44 ℃、115 h 至十几个小时) →检查(将工件提出液面经清洗后检查) →出槽→重复上砂和增厚(适用2 次上砂工件) →水洗→卸装→水洗→热风吹干→清洁(除导线、绝缘物以及焊疤) →质检(清除个别镍瘤和粗粒,不合格品退镀) →打标记(厂名、日期、砂型) →除氢(200 ℃、6 h ,但是否除氢视实际需要而定,多数不除氢)→水洗→纯水洗→闪亮镍(金刚石镀面为特别突出部位,尽量保护不镀) →回收→水洗→热水洗→热风吹干→包装
4 主要工序说明
4.1 空镀
(1) 工件带电入槽,避免产生双性电极现象。
(2) 工件下槽片刻后,用10 mm 宽的画笔蘸取镀液,反复擦洗工件表面,进一步清洁表面,及时消除不洁处。工件一次空停时间不宜过长,需要时将工件重新放入镀液中镀几分钟后再取出继续处理。
(3) 电流密度不宜过大,否则镀层结晶不规则,与基体结合不牢,使用过程中易脱落。尤其是受镀面积很小的工件,需精确微调电流。使用冲击电流可提高镀液覆盖能力,但要防止镀层烧焦。
4.2 上砂
(1) 上砂形式分落砂法和埋砂法。前者适用平面件和滚动件(平行磨轮和圆弧磨轮组合后也可进行滚动上砂) ,1 次完成1 个面上砂,所需要的砂量少,砂层薄,上砂效率较高,适宜大批量生产;后者适用多个型面的工件上砂,1 次可完成不同方向多个表面的上砂,但砂层厚,妨碍电解液中的传质和导电过程,上砂效率较低,同时所需要的砂量多,所以埋砂层以薄为宜,切勿推积过厚,否则氢气易逸出,且要保证上砂均匀。
(2) 掌握上砂电流密度,电流需稳定,切勿过大,避免施镀时冒泡而引起镀层烧焦。
(3) 平面工件上砂要设置辅助阳极,即于液面上方悬挂阳极(阴阳极面积比= 1∶1) ,对应工件平面,而槽四周阳极可不接电。
(4) 需要双面上砂的工件,待一面上砂完毕后施镀15～20 min ,初步固定砂子,再翻面上砂。
(5) 埋砂时要定时转换工件上砂方向。如挂件或单片上砂时,上砂30 min 后,使其左右或上下换位,保证工件各部位上砂均匀,同时对于具有特殊型面的工件,如1/ 4 R 磨轮呈锥形,有大小2 个端面,小端面上砂困难,为此,开始上砂时,需要倒置上砂(大端面朝上) ,使小端面的R 处优先沉积砂,30 min 后工件顺置继续上砂(小端面朝上) ,使整个R 表面上砂均匀。
4.3 增厚
(1) 工件带电入槽,起始电流小于规范值(利于固定砂子) ,逐步将电流升至规范值(30 min 左右) 。
(2) 增厚过程中有的工件也需要转位(增厚到一半时间左右开始) 。
(3) 平面件增厚时设辅助阳极。
(4) 需要转槽增厚时,一定要注意细砂件可放在粗砂槽中增厚,但粗砂件不能放到细砂槽中增厚。
(5) 每次增厚都要将磨粒将近埋住,使镀层厚度与磨粒尺寸接近为止。要注意防止每层加厚镀层超过磨粒尺寸,否则各层之间将形成一个不含磨料的金属镀层,在使用工具过程中,当这个单纯金属镀层接触被加工工件时,起不到磨料磨削作用,将造成磨削堵塞现象。
(6) 为防止电力线的尖端效应导致工件尖端、凸出部位增厚过度(镀层发白光亮,磨粒被包裹过度) ,当增厚到一定时间后,勤观察尖端、凸出部位的增厚程度,及时对这些部位采取保护措施(套上塑胶保护圈) 。
(7) 质检时要求砂子色裹牢固和包裹率合适,不允许增厚镀层严重发白或发绿,发白表示镀层增厚过度应返工,发绿则表明镀层增厚不足应继续增厚。不同金刚石粒度下的增厚时间列于表2 。增厚与金刚石闰度也有密切关系,增厚时间随金刚石粒度的增大而减少。
5 槽液调整与维护及金刚石净化方法
5.1 槽液调整
由于电镀金刚石的液槽容积较小(几升至几十升) ,且是连续工作,所以成分消耗较快,污染较严重。每班都要补充槽液至水位,控制波美度,调节pH 值,有条件应定期分析。
实际工作中,镍离子的消耗量与阳极溶解量基本能达到平衡,浓度波动不大,Cl - 离子和硼酸含量也较稳定,平常补充少,唯有增硬剂、增光剂及增润剂应随槽液的使用适量补充,基本上能使电解液保持在较佳工作状态。
5.2 槽液维护
5.2.1 优化厚料与水质
(1) 用于配制电解液和前处理液(酸类) 的大部份药品选用化学纯。我们试用进口工业级硫酸镍和国产工业级硫酸钴(使用前作适当净化处理) ,结果表明其质量可行,降低了成本。
(2) 配槽液和补充用水都必须用纯净水(包括清洗工件用水) 。
(3) 新使用的金刚石和回收的金刚石(生产用砂和退镀砂) 都要进行除油、除杂处理,保证它们的纯度和清洁度。
④选用纯度高的电解镍(镍含量> 9918 %) 作阳极、钛丝作阳极导电线,防止有害杂质溶入镀液。
5.2.2 净化槽液
槽液污染源来自增光剂分解产物(阳极袋吸附的黄色物和过滤电解液呈黄泥状的沉渣和机械杂质(镍瘤和尘埃) 。净化周期为1 次/ 10 天,净化方法:过滤电解液(滤纸过滤,回收金刚石) →氧化处理(3 mL/ L , w (H2O2)= 30 %的双氧水,搅拌30 min ,升温60～70 ℃,保温1 h) →吸附(3 g/ L 粉末活性炭,搅拌30 min ,静置4 h 以上) →过滤(过滤纸) →电解处理(小电流,楞形阴极,电解48 h) →调整镀液→赫尔槽试验(检测镀液性能和镀层质量) 。为了生产和净化两不误,配制备用液。
5.2.3 严格控制操作条件
工件前处理时需清洗干净;防止金刚石串槽,上砂用具用时必须清洗干净;槽液不工作时应加盖。
5.3 金刚石净化方法
(1) 新金刚石净化处理:煮酸(将新使用的金刚石放入烧杯中,倒入化学纯硝酸浸没,煮沸30 min →冷却(废弃酸液) →冲洗干净→煮碱(碱液中NaOH、金刚石、水的体积比为1∶2∶少量,将其煮沸30 min) →冲洗(洗至金刚石呈中性) →纯水漂洗→储存备用(浸泡镀液中) 。
(2) 用过的金刚石活化处理:回收清理(将回用的金刚石进行干燥和过筛→煮酸(将金刚石浸泡在硝酸中→昼夜,待不冒黄烟,表明净化完毕,废弃酸液) →水洗→煮碱(同前) →水洗→纯水洗→储存备用
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