金刚石复合电镀就是使金刚石微粒均匀分布在金属中形成的镀层。电镀金刚石铰刀的制作工艺有外镀和内镀两种工艺。内镀工艺的制作过程是:首先根据铰刀工作部分的结构及尺寸,设计并制造相应的胎具(胎具的内孔和铰刀工作部分的外表面形状、尺寸一致)如图2;然后在胎具内孔的孔壁上进行金刚石的复合电镀,使金刚石颗粒沿孔壁排列,均匀分布;把镀层从孔壁转移到刀体的外表面;最后进行开刃、整体精饰,便形成内镀金刚石铰刀。和外镀工艺比较,内镀铰刀表面颗粒排列的等高性好,刀具精度高。
由于要在胎具内孔进行金刚石颗粒的复合电镀,镀层能否实现、金刚石颗粒的排列质量及使用过程中颗粒固结的牢固程度、铰刀的制作周期等都和电镀工艺有关,所以必须处理好内镀工艺过程中的每个环节,才能得到合格的铰刀。
电镀工艺过程是:镀前处理→镀锡→上砂→卸砂→初步加厚→进一步加厚。
1电镀装置
由于电镀时胎具的内孔要填满金刚砂,所以内镀工艺的难度较大。主要表现为液相传质困难,镀层不易实现,允许电流密度小,电镀时间长。由于传统的搅拌方式不能解决前面提到的问题,所以改用半封闭回路式镀液循环电镀装置进行电镀。其基本原理(图3所示)是把胎具内孔作为回路的一部分,通过磁力泵把电镀液送到高位。利用高低差,使镀液以一定的压力流经胎具内孔,并在回路中循环流动。这样便可以解决镀液流动性差、液相传质困难的问题。同时电流密度也可得到提高。‑
2镀前处理
镀前处理主要包括金刚石颗粒和胎具内孔表面的处理。金刚石在电镀前如果不经过仔细的净化和亲水性处理,容易产生上砂困难或使颗粒与金属镀层结合力下降,造成铰刀使用过程中金刚石颗粒过早脱落。具体处理方法如下:将NaOH和金刚石以重量为2∶1的比例放入坩埚中,在电炉上加热至680～700℃煮15min倒出冷却。然后用蒸馏水冲洗至中性,之后,用15%稀硝酸煮沸约30min,冷却后用蒸馏水冲洗至中性。然后浸泡在镀液中待用。
对胎具镀前处理的目的是除去表面污物和表面的不良组织,暴露出基体金属的正常晶格结构,便于在活化状态下金属晶体表面实现电沉积。镀前处理的方法很多,应根据基体金属材料的性质、表面氧化物和油污的情况和粘污程度、基体的形状和尺寸及产品的质量要求等多种因素,综合考虑而定。下面介绍的是针对45钢制作的胎具内孔表面镀前处理的工艺流程:粗荒去油→化学除油→热水洗→冷水洗→冷水洗→强浸蚀(酸洗)→冷水洗→冷水洗→浸稀碱液→冷水洗→不镀部位的绝缘处理→电解去油→热水洗→冷水洗→冷水洗→弱浸蚀。下面对其中一些问题予以说明。
(1)化学除油。采用碱性溶液。优点是无毒、不燃、配方简单。溶液的组成和用量见表1。除油时溶液的温度为70～90℃,除油时间以油除尽为止,除油过程中要翻动工件。
(2)强浸蚀。黑色金属强浸蚀常用硫酸、盐酸,有时还用硝酸或混酸。考虑硝酸挥发时会放出大量的有害气体;硫酸在常温下对铁的氧化物浸蚀能力较低;盐酸在常温下浸蚀能力较强,而且基体溶解较慢,不易发生过腐蚀和氢脆现象。为了尽量减少由于铁的溶解和氢的析出导致的胎具内孔尺寸变化,所以浸蚀胎具时选用盐酸进行。但当盐酸的浓度达20%以上时,基体比氧化物的溶解速度提高得更快,同时考虑尽量减少盐酸挥发损失,所以,采用浓度为15%的盐酸,在室温下操作,时间小于5min(随时观察)。
(3)稀碱液浸泡。其目的是中和基体表面残存的酸,防止酸对基体产生腐蚀。清洗后要对不镀部位进行绝缘处理。
(4)电解去油。电解除油实际是电解水的过程,以达到进一步除油的效果。
(5)弱浸蚀。弱浸蚀的目的是在临电镀前除去被镀表面上极薄的一层氧化膜,暴露出基体的金相组织,以便于被镀金属离子直接在上面沉积。弱浸蚀采用3%～5%的硫酸溶液,在室温进行,浸蚀时间为30～40s。弱浸蚀后可以不经清洗,直接电镀。 安排镀前处理时还应注意以下几个问题:
(1)当基体油污和锈蚀严重时,必须先进行粗荒去油,然后进行强浸蚀。否则,基体浸蚀不好,还会造成局部过浸蚀;
(2)每次除油后要充分洗涤,先热水洗,后冷水洗;
(3)强浸蚀后,不允许用热水洗,但至少要用冷水漂洗两遍;
(4)弱浸蚀后如果不能马上电镀,工件应存放在稀碳酸钠溶液中。临镀前,要重新进行弱浸蚀;
(5)如果胎具加工出来的时间不长,涂油保护较好。可以不进行强浸蚀,或酌情降低酸的浓度和减少腐蚀的时间。
3电镀过程
电镀过程如下所述
第一步:镀锡。为了实现镀层脱模,先在胎具内孔镀一层低熔点金属锡,脱模时加热,让锡熔化,便可以使胎具和镀层分离。在能满足顺利脱模要求前提下该镀层尽量薄,以保证铰刀最终的尺寸和形状精度。酸性光亮镀锡溶液阴极电流效率高,沉积速度快,整平性能好,故采用之。镀液的组成见表2,工艺规范见表3。
第二步:上砂。这个阶段的主要任务是使金刚石颗粒均匀、单层、较牢固的以孔壁为基准排列好。由于是在内孔进行金刚石颗粒的复合电镀,所以采用埋砂法。
上砂镀层用金属锡,这样可不用更换镀液和进行清洗。另外,用锡镀层上砂对后面的脱模非常有利。该层金属在开刃阶段还要去掉,所以镀层质量对于刀具的使用性能没有影响。
上砂时锡镀层厚度要很好控制。镀层太厚,固结金刚石颗粒太多,易发生结团、结瘤现象,不但造成浪费,而且还使后续电镀层表面平整度下降,给镀层和刀杆粘接时准确确定刀杆粘接部位的尺寸带来困难。经过一系列的试验得出:上砂厚度为金刚石平均粒径的12%～15%效果最佳。这样能保证卸砂后用略硬毛刷从孔中来回刷洗,去掉浮砂后孔壁仍均匀分布有一层砂粒,用手轻撮,砂粒不会脱落。 第三步:卸砂。上砂完成后,要把胎具孔中多余的砂子去掉。一是为了节省金刚砂,同时也是为了利于后面进一步电镀加厚。之后要更换镀液,彻底清洗电镀装置。
第四步:初步加厚。为了让金刚石颗粒牢固地被镀层金属包裹,应在前面镀层的基础上进行加厚。镀层的厚度取决于金刚石颗粒的大小,以把金刚石颗粒全部包裹起来为准。铰刀工作时,该层金属是刀具的工作层,其物理机械性能及与金刚石颗粒的融合程度对刀具的使用性能有着决定性的影响。和镍镀层相比,镍钴合金具有良好的硬度和耐磨性,而且硫酸盐溶液中镀出的含钴30%的合金,是硬度最高的镍钴合金(41～42HRC),所以用它作为铰刀的工作层对提高铰刀的使用性能有利。电镀镍钴合金的组成见表4,工艺规范见表5。由于金刚石颗粒的影响,该阶段的电流密度不宜取得太大,否则镀层结晶不规则,不能很好地连着原来镀层的晶格做外延生长,内应力大。经过试验,Ic取1～1 5A/dm2较为理想。镀液中钴离子的补充采用连续滴加钴盐溶液的办法。
第五步:进一步加厚。为了保证镀层和刀杆的连接质量,镀层还应进一步加厚约0 8～1mm。这个阶段的镀层对耐磨性、硬度要求降低,而更希望减小应力、提高延展性、提高沉积速度。基于以上考虑,该阶段采用瓦特型镀镍液,加厚镀液的组成见表6,工艺规范见表7。由于没有金刚石颗粒的影响,此时电流密度可以加大到5A/dm2甚至更高些,以减少电镀时间。由于前一步的加厚镀液对本工序的电镀液没有不良影响,所以更换镀液后不用清洗系统。当镀层厚度达到要求后,便可关闭直流电源,卸下胎具,并进行清洗。至此,整个电镀工艺过程便告结束。 4结语
试验证明,通过上述的设备和工艺方案,在电镀过程中仔细操作,随时观察,严格遵守工艺规范,完全可以得到质量合格、满足使用要求的金刚石复合镀层。
|
