CN101195923A - 具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具及制造方法 - Google Patents

具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具及制造方法 Download PDF

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黄志伟
李立波
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Abstract

一种具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具，为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。制造这种电镀金刚石工具的方法：包括制备电镀液、镀前处理和进行电镀；在电镀时，是采用脉冲电镀方法，其电镀液是由：NiSO4·7H2O、NiCl2·6H2O、H2BO3、细化添加剂、十二烷基硫酸钠制成；本发明中所采用的电镀液配合利用脉冲电流手段容易得到细化晶粒，从而得到纳米晶体材料，并能将松散的金刚石颗粒镶嵌固结在镀层中，制备出针对不同加工材料的金刚石刀具；采用本制造方法还具有缩短工具制造周期，降低了成本的优越性。

Description

具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具及制造方法
技术领域
本发明属于电镀金刚石工具，尤其涉及一种具有高硬度、高强度和高耐磨性胎体材料的电镀金刚石工具；同时还涉及该工具的制造方法。
背景技术
金刚石有极高的硬度，用金刚石制作的工具适宜加工硬而脆的材料，而采用电镀技术制备电镀金刚石工具不仅制作温度低，避免了高温损伤金刚石，增加了这种工具的使用寿命；也提高了工具加工效率和加工质量；目前，电镀金刚石工具，已在机械、电子、建筑、钻探、光学玻璃加工等工业领域得到广泛应用。但是目前所生产的电镀金刚石工具不仅制造周期长，而且工具的胎体材料硬度、强度和耐磨性均不够理想，因此工具的使用寿命和加工效率仍较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高硬度、高强度和高耐磨性胎体材料的电镀金刚石工具；同时提供该工具的制造方法。
本发明目的是通过以下技术方案实现的：这种具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。
制造这种具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具的方法：包括制备电镀液、对金刚石工具的镀前处理和对处理后金刚石工具进行电镀；在对处理后金刚石工具坯体进行电镀时，是采用脉冲电镀方法在金刚石工具上电镀纳米镍材料，其电镀液是由下述组分制成：NiSO4·7H2O 280～290g/l或310～320g/l
NiCl2·6H2O    40～44g/l或46～50g/l
H2BO3          35～39g/l或41～45g/l
细化添加剂     6-8g/l
十二烷基硫酸钠 0.06～0.08g/l
对处理后金刚石工具进行电镀时，采用的脉冲电参数为：
峰值电流密度90～98A/dm2或105～110A/dm2
通断时间    Ton为1.2-1.8ms或2.2-2.9ms，或3.2-4ms
            Toff为25～29ms或31～43ms
所述的细化添加剂是糖精或香豆素。
所述的电化学除油液是由下述组分制成：NaOH  35～45g/l
Na2CO3  26～35g/l
Na3PO4  25～29g/l或31～35g/l
Na2SiO3  3～7g/l
经电化学除油后的工件再用50％的H2SiO4溶液做电化学活化，而后用浓度等于或小于5％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
采用脉冲电镀方法在金刚石工具坯体上镀上纳米镍材料的底层后，再采用直流电沉积上砂，而后采用脉冲电流沉积加厚镀层；上砂时所采用直流电的电流密度为1.1～1.4A/dm2或1.6～2.2A/dm2，上砂时间为40-58分钟；采用脉冲电流沉积加厚镀层的脉冲电参数为：峰值电流密度为90～98A/dm2或105～110A/dm2
通断时间    Ton为1.2-1.8ms或2.2-2.9ms，或3.2-4ms
            Toff为25～29ms或31～43ms
加厚时间为100-110分钟或130-150分钟。
实验证明晶体的强度及硬度与晶粒尺寸有关，即随着晶粒尺寸的减小晶体的强度及硬度增大，由于纳米材料的特殊结构，使它表现出与传统材料不同的物理和化学性质，因此纳米材料比传统材料优良得多，由于本发明中金刚石工具的镀层是纳米镍材料，因此这种工具的胎体材料具有很高的强度及硬度，同时也提高了它的耐磨性。
本发明中所采用的电镀液配合利用脉冲电流手段容易得到细化晶粒，从而得到纳米晶体材料，而且本发明中配制电镀液的各种组分有较大的选取范围，因此通过改变脉冲电流参数可以得到不同性能镀层，并将松散的金刚石颗粒镶嵌固结在镀层中，能制备出针对不同加工材料的金刚石刀具；采用本制造方法还具有缩短工具制造周期，降低了成本的优越性。
具体实施方式
实施例1：本实施例中的电镀金刚石工具为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。
这种工具制造的方法如下：(1)金刚石工具坯体的镀前处理：
a、先对金刚石工具坯体的粗糙面进行机械修整，而后用强酸浸泡1分钟，再用水将工具冲洗干净；
b、用组分为：NaOH 35g/l、Na2CO3 26g/l、Na3PO4 25g/l、
Na2SiO3 3g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H2SiO4溶液做电化学活化，再用浓度等于5％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，NiSO4·7H2O 280g/l、NiCl2·6H2O 40g/l、H2BO3 35g/l、糖精6g/l、十二烷基硫酸钠0.06g/l。
(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为50mm，S阴∶S阳 1∶8；用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为90A/dm2、通断时间Ton为1.2ms、Toff为25ms；经过25分钟后，把已镀上纳米镍材料底层的金刚石工具坯体用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为1.1A/dm2，上砂时间为50分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度110A/dm2通断时间Ton为4ms，Toff为33ms，加厚时间为100分钟。
电镀过程中镀液温度 保持55-56℃。
实施例2：本实施例中的电镀金刚石工具也为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。这种工具制造时，在步骤(1)中：
a、金刚石工具坯体的粗糙面进行机械修整后用强酸浸泡2分钟，再用水将工具冲洗干净；
b、用组分为：NaOH 45g/l、Na2CO3 35g/l、Na3PO4 29g/l、Na2SiO3 7g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H2SiO4溶液做电化学活化，再用浓度为4％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，NiSO4·7H2O 290g/l、NiCl2·6H2O 44g/l、H2BO3 39g/l、香豆素8g/l、十二烷基硫酸钠0.08g/l。
在步骤(3)的电镀中：电极间距为100mm，S阴∶S阳 1∶16；用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为110A/dm2、通断时间Ton为4ms、Toff为33ms；经过18分钟后，把已镀上纳米镍材料底层的金刚石工具坯体用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为2.2A/dm2，上砂时间为40分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度90A/dm2通断时间Ton为1.2ms，Toff为25ms，加厚时间为110分钟。
电镀过程中镀液温度 保持57-58℃。其他均与实施例1相同。
实施例3：本实施例中具有纳米镍材料镀层的金刚石工具的制造方法是：(1)金刚石工具坯体的镀前处理：
a、先对金刚石工具的粗糙面进行机械修整，而后用强酸浸泡3分钟，再用水将工具冲洗干净；
b、用组分为：NaOH 40g/l、Na2CO3 30g/l、Na3PO4 31g/l、Na2SiO3 4g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H2SiO4溶液做电化学活化，再用浓度等于3.5％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，NiSO4·7H2O 310g/l、NiCl2·6H2O 46g/l、H2BO3 41g/l、糖精8g/l、十二烷基硫酸钠0.08g/l。
(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为70mm，S阴∶S阳 1∶9；用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为95A/dm2、通断时间Ton为1.5ms、Toff为27ms；经过23分钟后，把已镀上纳米镍材料底层的金刚石工具坯体采用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为1.3A/dm2，上砂时间为45分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度95A/dm2通断时间Ton为1.2ms，Toff为27ms，加厚时间为130分钟。
电镀过程中镀液温度 保持62-63℃。
实施例4：本实施例中的电镀金刚石工具也为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。这种工具制造时，在步骤(1)中：
所配制成的除油液组分为：NaOH 43g/l、Na2CO3 28g/l、Na3PO4 35g/l、Na2SiO3 5g/l，经电化学活化后再用浓度等于4.5％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，NiSO4·7H2O 320g/l、NiCl2·6H2O 50g/l、H2BO3 45g/l、香豆素8g/l、十二烷基硫酸钠0.07g/l。
在步骤(3)中：电极间距为75mm，S阴∶S阳 1∶11；用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀时，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为98A/dm2、通断时间Ton为1.8ms、Toff为28ms；经过25分钟后，把已镀上纳米镍材料底层的金刚石工具坯体用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为1.4A/dm2，上砂时间为55分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度98A/dm2通断时间Ton为1.8ms，Toff为29ms，加厚时间为140分钟。
其他均与实施例3相同。
实施例5：本实施例中的电镀金刚石工具也为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。这种工具制造时，步骤(1)中：
所配制成的除油液组分为：NaOH 37g/l、Na2CO3 32g/l、Na3PO4 27g/l、Na2SiO3 6g/l，经电化学活化后再用浓度等于3％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，NiSO4·7H2O 285g/l、NiCl2·6H2O 42g/l、H2BO3 37g/l、香豆素7g/l、十二烷基硫酸钠0.07g/l。
在步骤(3)中：电极间距为78mm，S阴∶S阳 1∶13；用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀时，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为105A/dm2、通断时间Ton为2.2ms、Toff为31ms；经过28分钟后，采用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为1.6A/dm2，上砂时间为55分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度105A/dm2通断时间Ton为2.2ms，Toff为31ms，加厚时间为150分钟。
其他均与实施例3相同。
实施例6：本实施例中的电镀金刚石工具为金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。这种工具制造的方法如下：(1)金刚石工具坯体的镀前处理：
a、先对金刚石工具坯体的粗糙面进行机械修整，而后用强酸浸泡4分钟，再用水将工具冲洗干净；
b、用组分为：NaOH 39g/l、Na2CO3 33g/l、Na3PO4 33g/l、Na2SiO3 3g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H2SiO4溶液做电化学活化，再用浓度等于5％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，NiSO4·7H2O 315g/l、NiCl2·6H2O 47g/l、H2BO3 43g/l、糖精7.5g/l、十二烷基硫酸钠0.06g/l。
(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为100mm，S阴∶S阳 1∶16；用上述配制的电镀液，采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为108A/dm2、通断时间Ton为2.9ms、Toff为29ms；经3.5小时即可。
实施例7：本实施例中具有纳米镍材料镀层的金刚石工具的制造方法中，采用的电镀液组分为：NiSO4·7H2O 317g/l、NiCl2·6H2O 48g/l、H2BO338g/l、糖精6.5g/l、十二烷基硫酸钠0.06g/l。
电镀时，电极间距为85mm，S阴∶S阳 1∶12；在金刚石工具上镀上纳米镍材料的底层时脉冲电参数为：峰值电流密度为107A/dm2、通断时间Ton为2.9ms、Toff为43ms；直流电沉积上砂时所采用直流电的电流密度为1.8A/dm2，用脉冲电流沉积加厚镀层时，峰值电流密度107A/dm2通断时间Ton为2.9ms，Toff为31ms，加厚时间为110分钟。
其他加工方法和工艺条件均与实施例3相同。
实施例8：本实施例中具有纳米镍材料镀层的金刚石工具的制造方法中，采用的电镀液组分为：NiSO4·7H2O 319g/l、NiCl2·6H2O 49g/l、H2BO344g/l、香豆素6.5g/l、十二烷基硫酸钠0.06g/l。
在金刚石工具上镀上纳米镍材料的底层时脉冲电参数为：峰值电流密度为93A/dm2、通断时间Ton为3.2ms、Toff为36ms；直流电沉积上砂时所采用直流电的电流密度为2A/dm2，用脉冲电流沉积加厚镀层时，峰值电流密度92A/dm2通断时间Ton为3.2ms，Toff为43ms
其他均与实施例5相同。
实施例9：本实施例中具有纳米镍材料镀层的金刚石工具的制造方法中，采用的电镀液组分为：NiSO4·7H2O 288g/l、NiCl2·6H2O 43g/l、H2BO336g/l、糖精6.5g/l、十二烷基硫酸钠0.08g/l。
在金刚石工具上镀上纳米镍材料时脉冲电参数为：峰值电流密度为109A/dm2、通断时间Ton为3.8ms、Toff为40ms；其他均与实施例6相同。

Claims (6)

1.一种具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具，其特征在于：金刚石工具上的镀层是纳米镍材料。
2.制造如权利要求1所述的具有高硬度高强度胎体材料的电镀金刚石工具的方法：包括制备电镀液、对金刚石工具的镀前处理和对处理后金刚石工具进行电镀；其特征在于：在对处理后金刚石工具坯体进行电镀时，是采用脉冲电镀方法在金刚石工具上电镀纳米镍材料，其电镀液是由下述组分制成：
NiSO4·7H2O          280～290g/l或310～320g/l
NiCl2·6H2O          40～44g/l或46～50g/l
H2BO3                35～39g/l或41～45g/l
细化添加剂           6-8g/l
十二烷基硫酸钠       0.06～0.08g/l。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：对处理后金刚石工具进行电镀时，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度90～98A/dm2或105～110A/dm2
通断时间    Ton为1.2-1.8ms或2.2-2.9ms，或3.2-4ms
            Toff为25～29ms或31～43ms。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述的细化添加剂是糖精或香豆素。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的电化学除油液是由下述组分制成：NaOH       35～45g/l
        Na2CO3     26～35g/l
        Na3PO4     25～29g/l或31～35g/l
        Na2SiO3    3～7g/l
经电化学除油后的工件再用50％的H2SiO4溶液做电化学活化，而后用浓度等于或小于5％的H2SiO4溶液进行弱酸侵蚀。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：采用脉冲电镀方法在金刚石工具坯体上镀上纳米镍材料的底层后，再采用直流电沉积上砂，而后采用脉冲电流沉积加厚镀层；上砂时所采用直流电的电流密度为1.1～1.4A/dm2或1.6～2.2A/dm2，上砂时间为40-58分钟；采用脉冲电流沉积加厚镀层的脉冲电参数为：峰值电流密度为90～98A/dm2或105～110A/dm2
通断时间  Ton为1.2-1.8ms或2.2-2.9ms，或3.2-4ms
Toff为25～29ms或31～43ms
加厚时间为100-110分钟或130-150分钟。
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