摘　要:介紹了復合電鍍(Ni-Co-Mn)-金剛石復合鍍層工藝、溶液配方、設定思路以及鑲嵌鍍加工現場注意要點,采用(Ni-Co-Mn)-金剛石復合鍍層的切削、磨削工具在磨削切削硬度高的石材時,較目前普遍使用的Ni-Co合金為基質金屬耐磨性提高,提供了鑲嵌較高品級金剛石的基質金屬在工具使用中匹配消耗,延長使用壽命。Ni-Co-Mn合金鍍層中w(Mn)為0.1%以下時便可將合金中w(Co)從22%以上降到4%左右,節省了約80%價格昂貴的Co。由于Mn的引入引起韌性變劣,可通過添加劑滿足Ni-Co-Mn合金對延展性的要求。

       關　鍵　詞:復合電鍍;(Ni-Co-Mn)-金剛石復合鍍層;延展性;使用壽命

       引　言

       金剛石工具是在預先加工成型且形狀各異的金屬基體表面,用復合電鍍的方法鑲嵌一層(表鑲)或多層(孕鑲)金剛石顆粒而制成,如金剛石磨具和鉆具。在生產現場將復合鍍層中的基質金屬稱作胎體,最常用的為Ni、Ni-Co、Ni-Fe和Ni-Mn合金以及近年來引起重視的Ni-Co-Mn合金。胎體各具特性,在制造復合電鍍金剛石工具時對復合鍍層的硬度、平整性、金剛石與基質金屬間的結合力及使用壽命有很高的要求,一般多采用w(Co)為30%以下的Ni-Co合金做基質金屬。

       Ni-Co合金胎體中的Co是以向鍍液中添加CoSO4·7H2O實現的,為了保證胎體的韌性和其對金剛石的結合強度,Co的補充應控制在穩定范圍內,使鍍層中w(Co)在22%左右。在加工一些硬度較高的材料時選用品級較高的金剛石以提高磨削、切削能力。但往往出現因操作中磨屑的反磨削力增大造成胎體不能與金剛石匹配,提早被磨損,導致相當一部分金剛石顆粒脫落,使工具工作效率下降以致提早報廢。為此許多金剛石復合鍍層制品從業者做了大量工作,Ni-Co-Mn三元合金胎體的引入是研究的一個方向。

       1　兩種基質金屬的比較

       含有極少量Mn的Ni-Co-Mn合金胎體的硬度相當于w(Co)為30%的Ni-Co合金胎體,但Mn的加入使胎體的延展性急劇下降,在實踐中采用d=3mm圓鋼按常規工藝方法孕鑲二遍品級較高的(MBD8)金剛石顆粒,Ni-Co-Mn胎體的耐磨性和使用壽命較Ni-Co胎體有很大提高。但經敲擊鍍覆部位出現片狀或塊狀的爆裂,資料[1,2]介紹加入韌化劑后胎體延展性得以改善,基本上與多年使用的Ni-Co合金胎體相當,能經受標準中規定的復合電鍍金剛石鍍層結合力的檢驗。對于改善胎體延展性的韌化劑其機理目前尚未獲得確切的解釋,采用資料中推薦的Ni(HCOO)2·2H2O作韌化劑系進口產品,且價格極高(報價1370元/kg),于是自行合成韌化劑并按一定比例加入鍍液中,與Ni-Co合金鍍液同時作同一工件鑲嵌不同品級金剛石的對比試件。試件為d=3mm鋼十字端平頭鉆孔棒。控制胎體中w(Co)為23%的Ni-Co合金和w(Co)為4%、w(Mn)為0.1%的Ni-Co-Mn合金。分別在二種鍍液內同時鑲嵌鍍d=125~150μm的MBD6及MBD8二個品級的金剛石,采用完全一樣的工藝制作。

       根據用戶在加工石材作對比表明:在Ni-Co合金鍍液中鍍出的MBD6品級試件鉆削工具使用率較MBD8品級試件鉆削工具低近20%,而在后者鉆削的磨屑中可見脫落的金剛石顆粒,工具上有凹陷部位。在Ni-Co-Mn合金鍍液中鍍出的MBD6品級試件鉆削工具使用率與在Ni-Co鍍液中鍍出的MBD6品級的試件接近,但隨鉆削的進行鉆削速度變緩,金剛石刃口被磨平,MBD8品級試件鉆削使用率較MBD6試件高30%以上,無金剛石脫落現象。由此可以認為Ni-Co-Mn合金胎體硬度高于Ni-Co合金胎體,對金剛石的包覆能力及工具使用壽命滿足了用戶的要求。

       Ni(HCOO)2·2H2O因用量較大且制作又相當麻煩,經實驗選用了配方中的添加劑代替,取得了同樣的效果,批量生產的工具供用戶加工相應石材,反饋信息表明與試驗樣件無異。

       2　復合電鍍(Ni-Co-Mn)-金剛石工藝

       2.1　鍍液配方與工藝條件

       復合電鍍(Ni-Co-Mn)-金剛石復合鍍層鍍液配方及工藝條件如下:

       2.2　鍍液組成及工藝條件的影響

       1)預鍍、上砂及加厚鍍采用同一溶液。

       2)開缸配制溶液中主要成分影響三元合金胎體金屬含量,只要準確依照消耗電量及時補加Co與Mn鹽鍍液較為穩定。

       3)陽極活化劑不宜用NaCl代替NiCl2·6H2O,以消除Na+對鍍層的不利影響。

       4)由于磨料參與共沉積,與一般電鍍金屬鍍層對鍍液分散能力、結晶細化及整平性能特別是鍍層的延展性提出了更高的要求,為此在使用1,4-丁炔二醇及糖精為主的添加劑基礎上,經實驗遴選了烯丙基磺酸鈉與丙烷磺酸吡啶钅翁鹽鍍鎳中間體加入鍍液。

       5)稀土元素加入使鍍層結晶致密細化,利于提高鍍層硬度,整平性及鍍液深鍍能力明顯提高,這些特性符合復合電鍍金剛石工具對胎體的需求,選用了目前已工業化生產的998A稀土鍍鎳添加劑。

       6)由于Mn進入胎體帶來的脆性增加是(Ni-Co-Mn)-金剛石鑲嵌鍍能否工業化生產的關鍵,極少量Mn[w(Mn)≯0.1%]的加入提高鍍層耐磨性與高品級金剛石同步磨耗,延長了工具的使用壽命,但Mn也使鍍層脆性急劇增加,配方中選用了某有機酸鹽和無機酸改善胎體韌性,從而保證延展性與w(Co)為22%以上的Ni-Co合金胎體相近。

       7)pH在復合鍍液中很大程度上影響著鍍層質量,出于對鍍液分散能力及鍍層硬度考慮,選用pH5.0~5.6[3,4],實踐中發現pH4.4~4.6較為適合,沉積速度、鍍層光亮程度及鍍液維持正常使用周期都是理想的,當槽液pH達5.2以上時,不僅溶液易混濁且在埋砂法上砂時限制了Jκ上限,容易形成氫氧化鎳沉淀粘附在受鍍面上。

       8)陰極電流密度在預鍍、上砂及加厚鍍時不能一成不變,預鍍時可達1.2A/dm2以上,對于d平均=49μm(270/325粒度)的金剛石上砂時Jκ≯0.5A/dm2,而加厚鍍時出砂槽的初始階段無論粒徑大小也以Jκ≯0.5A/dm2為宜,否則會將粘附不牢的金剛石顆粒被析出的氫氣從砂層上吹落。由于金剛石顆粒在復合鍍層的占位,隨著加厚時間的推移,真實面積呈由大到小再漸而增大的變化(見圖1),故給電方式亦應適時調整,使受鍍工件在整個加厚鍍過程中Jκ盡量接近預設值。

       采用較低電流密度復合鍍,是獲得結晶細化、工件能均勻受鍍的條件。

       3　復合鍍中的三個關鍵步驟

       3.1　預　鍍

       復合電鍍金剛石工具常用基體材料一般是普通碳鋼、65Mn鋼和不銹鋼,其表面的物理機械性能往往是不均勻的,為了保證鑲嵌在胎體內的金剛石顆粒在磨削壓力作用下不致因受力不均刺插到基體表層引起整個復合鍍層爆裂,使部分金剛石顆粒從復合鍍層中脫落,所以在上砂前必須在基體上預鍍一薄鍍層,依據待鑲金剛石顆粒平均粒徑,選擇相應的預鍍層厚度,如d平均為49μm的金剛石,預鍍層厚度為3~5μm,d平均為196μm的金剛石預鍍層厚度以10~15μm為宜。預鍍的前處理視基體材質的不同工藝操作要求亦不一樣,在此不做贅述。需強調的是基體表面完全活化后帶電入槽預鍍是提高鍍層結合力的保證。

       3.2　上　砂

       一般加工玉雕的磨具鉆具形狀繁雜,尺寸各異,大都采用埋砂法,給工具基體上粘上一層金剛石,即將固定于夾具上的待鍍件預鍍后,置于盛有金剛石,溶液可以自由流通的非金屬砂槽內,在鍍液中依金剛石的平均粒徑,電鍍時間,使金剛石被鑲于工件表面,一般掌握嵌入率達到10%左右即可,嵌入率太低,對金剛石的粘附欠牢,加厚鍍時易被吹落,過厚則易“糊”活,且往往會使磨粒搭橋架空,在加厚鍍時覆蓋在工具上的金屬鍍層,在磨削時將在該處造成爆裂。鑲砂的Jκ應依據金剛石平均粒徑控制,如金剛石顆粒d為49μm的上砂Jκ用0.5A/dm2電鍍25~30min,金剛石顆粒d為196μm的上砂Jκ用0.75A/dm2電鍍60min為常用,以使金剛石盡可能單層均布于待鑲工作部位。

       3.3　加厚鍍

       上砂完成后工件自砂槽內取出,將表面浮砂輕輕沖至砂槽內,立即帶電轉入鍍液內進行加厚鍍,初始階段用較低Jκ施鍍,避免因析氫將粘附未牢的金剛石吹落或浮起,隨后依設定值逐漸提高Jκ至接近金剛石平均粒徑40%左右的厚度時,應降低Jκ,鍍層厚度達平均粒徑60%左右時,再漸次提高Jκ,依工件要求的包覆程度出槽,即隨實際受鍍面積的增減調整Jκ,對于孕鑲工具當嵌入率達到55%~65%時進行下一次上砂,以保證疊加砂層的結合力。

       4　鍍液維護管理

       4.1　鍍液中原料補加及工藝控制根據消耗電量(用安培小時計控制),將Co鹽和Mn鹽按一定質量濃度配成的合劑與BOZ、BSI、PPS、ALS和998A按一定質量濃度配成的單一添加劑,適時定量添加于鍍液中,隨時保持鍍液工作溫度和pH,特別注意砂槽內鍍液及時更新,以保持與整槽鍍液一致。

       4.2　鍍液維護與金剛石處理

       1)嚴防異金屬離子特別是Cu2+帶入鍍液,鍍液無需經常做除雜處理,只要按使用周期過濾,消除有機添加劑的分解產物與三價鐵便可。

       2)定期化驗主要成分并調整,對于目前尚不做化驗的添加劑可參照ρ(Ni2+)及ρ(H3BO3)調整適量補加。

       3)新購入的金剛石應作吸磁處理,將殘留的磁晶吸出,再用與該粒度接近的篩網將粗晶與細晶分出,然后用堿液及酸液清洗,并用水沖洗干凈備用。過濾鍍液清理落入槽內的金剛石可用H2SO4清除粘附其表面的雜質,經水洗烘干吸除混在一起的鎳渣然后作篩分處理,分別保存在含有潤濕劑的溶液內,不可干態存放。

       5　結　語

       經過一年多生產,復合電鍍(Ni-Co-Mn)-金剛石工具的耐磨性與使用壽命已達到加工硬質石材的要求,得到用戶認可,胎體內w(Co)從22%下降為4.5%,節省了80%的CoSO4·7H2O。鍍液成分較Ni-Co合金鍍液略為復雜。光亮劑及稀土添加劑對維持鍍液整平性,提高對金剛石包覆能力及輔助提高胎體硬度起著很大的作用。實踐表明:只要按正常維護鍍液方法管理,鍍液工作是穩定的。解決胎體因Mn而導致的延展性變劣可加入適當添加劑改善,這是實現Ni-Co-Mn三元合金基質金屬用于復合鍍的不可或缺前提。目前雖已投入正式生產,但還有待時間的驗證,以發現新問題及尋求更進一步提高胎體延展性和使用壽命的途徑,不斷擴大使用范圍。

       參考文獻

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       [4]　方嘯虎.超硬材料科學與技術[M].北京:中國建材工業出版社,1998.232.