CN101423968A - 电镀金刚石车针的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种电镀金刚石车针的制造方法。以镍钛合金为车针基体，包括：一、镍钛合金车针基体的加工；二、镍钛合金车针基体和金刚石颗粒的电镀前处理；三、采用直流电镀的方法，在车针头部镀覆一层金刚石复合镀层；四、对制备的金刚石车针进行电镀后的真空热处理。本发明的优点为：(1)镍钛合金车针基体具有较强的冲击抗力，减少了冲击载荷作用下车针基体折断的几率；能有效防止车针基体断裂事故的发生。(2)采用镍钛合金车针基体和电镀后热处理工艺，使镍钛合金车针基体和金属镍镀层的界面处形成了扩散层，镀层中的金属镍与镍钛合金车针基体中的钛形成了金属间化合物，大大增强了镀层结合力，因而提高了金刚石车针的使用寿命。

Description

电镀金刚石车针的制造方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种医用齿科器械的制造方法，具体地说是一种磨削牙齿的电镀金刚石车针的制造方法。

(二)背景技术

金刚石车针是口腔修复中牙体预备的重要器械，通常由金属基体和镶嵌金刚石的磨削层组成。金刚石车针的制备方法主要有电镀法和粉末冶金法两种。其中，粉末冶金法制备的烧结金刚石车针中金刚石与金属镀层之间存在牢固的化学结合力，所以具有良好的切削性能，耐用度高。但由于制备过程的温度较高，对金刚石会产生一定的热损伤，使金刚石强度下降。而电镀法制备的金刚石车针生产过程在低温条件下进行，对金刚石不会产生热损伤。同时，电镀法具有加工效率高、磨削比高、保形性好及加工精度高等优点。但由于镀层金属与车针基体和金刚石之间不存在牢固的化学键结合力，金刚石只是被机械地包裹在镀层金属中，在工作过程中受到切削力作用时，金刚石磨粒容易脱落或镀层成片剥脱，因而导致金刚石车针的使用寿命下降，在使用中需要经常更换。

电镀法制备金刚石车针的原理是通过金属电沉积的方法，将金刚石颗粒固结在具有特定形状的车针基体上。其中，镀层金属(或称为胎体金属、基质金属)主要起支撑和结合剂的作用，金刚石颗粒主要起切削作用。因此，镀层金属与车针基体以及金刚石颗粒之间的结合力必须良好，以避免金刚石颗粒或金属镀层的过早脱落而导致金刚石车针的失效。目前，金刚石车针的金属基体通常由钢制成，常用型号有316L不锈钢，45号钢等；镶嵌金刚石的磨削层一般为纯Ni镀层、Ni-Co二元镀层或Ni-Co-Mn三元镀层，厚度在几至几十微米范围内。

电镀法制造金刚石车针的加工过程一般包括电镀前处理、电镀和电镀后处理。电镀前期处理包括对车针基体材料和金刚石颗粒的处理，其目的是除油、除锈。电镀后处理一般采用化学气相沉积法(CVD)降低金刚石颗粒表面的缺陷，提高金刚石颗粒的切削能力。但CVD方法对设备要求较高，无形中增加了生产成本，而且对于小尺寸的金刚石车针而言，不利于批量生产，生产效率较低。

发明专利200310106958.0公开了一种通过金刚石的表面活性化制造电镀金刚石工具的方法，在金刚石的预处理中采用了敏化处理和活化处理，提高了金刚石颗粒的表面活化状态，在金刚石表面形成分散的钯质点，增强金刚石与镀层之间的结合力，提高了电镀金刚石工具的加工效率和使用寿命，可节省大量昂贵的金刚石。

发明专利200610128409.7和发明专利200610128408.2分别公开了采用脉冲电镀技术制备纳米镍和纳米镍钴材料作为金刚石工具的胎体材料，从而提高胎体材料的强度、硬度和耐磨性，最终达到缩短制造周期，延长工具使用寿命的目的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以解决电镀金刚石车针在使用过程中金刚石颗粒易脱落、镀层成片剥脱以及冲击载荷下车针基体断裂的问题，提高电镀金刚石车针的使用寿命的电镀金刚石车针的制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

镍钛合金车针基体的加工：

以镍钛合金为车针基体，采用机加工方法在镍钛合金车针基体上加工出车针头部、颈部和柄部；

镍钛合金车针基体和金刚石颗粒的电镀前处理：

机械打磨→绝缘→有机化学除油→碱洗除油→超声波热碱洗→热水清洗→冷水清洗→化学浸蚀→冷水清洗→化学活化，

其中，有机化学除油采用丙酮溶液，超声清洗15min；碱洗除油采用含有NaOH 35-55g/l、Na₂CO₃ 30-45g/l、Na₃PO₄ 25-35g/l和Na₂SiO₃ 3-7g/l的碱液，在温度80℃条件下保温20min，然后在超声条件下清洗10min；化学浸蚀采用体积比40wt.％的HF:65wt.％的HNO₃＝1:3的HF和HNO₃的混合溶液，浸蚀至冒红烟；化学活化采用HCl 350ml/L和H₂SO₄ 650ml/L的HCl和H₂SO₄的混合溶液或采用体积比40wt.％的HF:98wt.％的H₂SO₄＝1:1的HF和H₂SO₄的混合溶液，活化10-15分钟；

直流电镀：

配制镀液→打底镀→上砂镀→增厚镀，

镀液成分为NiSO₄·6H₂O 250～350g·L^-1、NiCl₂·6H₂O 35～50g·L^-1、H₃BO₃30-45g·L^-1、十二烷基硫酸钠0.05～0.1g·L^-1；

打底镀包括冲击镀和空镀，冲击镀镍的电镀工艺参数为：2-4A/dm²，时间5-15min；空镀镍的电镀工艺参数为：0.5-3A/dm²，时间10-30min；

上砂镀是在上述镀液中加入上砂槽，上砂槽由聚四氟乙烯做成，四面和底面钻有孔，上砂槽内侧用尼龙布包裹，内装金刚砂。，砂镀采用埋砂法，即将车针基体以45度角插入砂槽中，上砂时间到一半时调换车针方向，金刚石上砂的工艺参数为1.5-5A/dm²，上砂时间30-60min；

增厚镀是在上述镀液中移走上砂槽后进行的，增厚镀的工艺参数为1-3A/dm²，增厚镀时间60-300min；

电镀后处理工艺为：将金刚石车针放入真空热处理炉中，在温度为350-600℃下保温30-150min。

本发明还可以包括：

所述的绝缘是将镍钛合金车针基体的非电镀部分，即车针颈部和柄部，用绝缘胶或热塑管绝缘。

直流电镀前进行电镀前处理，步骤为：热酸洗→水洗至pH为7.0→热碱洗→水洗至pH为7.0→超声波清洗→烘干→浸入电镀液中备用；热酸洗是指在98wt.％浓硫酸和水的体积比为1:1的酸溶液中煮沸30min；热碱洗是指在含有NaOH35-55g/l、Na₂CO₃30-45g/l、Na₃PO₄ 25-35g/l和Na₂SiO₃ 3-7g/l的碱液与水的重量比为1:4的碱液中煮沸30min。

本发明为了解决电镀金刚石车针在使用过程中金刚石颗粒易脱落、镀层成片剥脱以及冲击载荷下不锈钢车针基体断裂的问题，提高电镀金刚石车针的使用寿命，提出了采用镍钛合金作为车针的基体材料。其优势在于：一方面，镍钛合金的成分与镍更为接近，通过适当的镀后热处理工艺易于在镀层和车针基体之间形成扩散层，同时，镍与钛能形成金属间化合物，从而可以大大提高镀层和车针基体间的结合力；另一方面，采用镍钛合金作为车针基体，可以增加车针芯部的柔韧性，在打磨凸凹不平的牙窝沟时，定位更稳、更准确，把持也更方便，能有效防止车针基体断裂事故的发生，增加操作的安全性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：(1)镍钛合金车针基体具有较强的冲击抗力，减少了冲击载荷作用下车针基体折断的几率；同时，它增加了车针芯部的柔韧性，在打磨凸凹不平的牙窝沟时，定位更稳，把持更方便，能有效防止车针基体断裂事故的发生，增加操作的安全性；(2)采用镍钛合金车针基体和电镀后热处理工艺，使镍钛合金车针基体和金属镍镀层的界面处形成了扩散层，镀层中的金属镍与镍钛合金车针基体中的钛形成了金属间化合物，大大增强了镀层结合力，因而提高了金刚石车针的使用寿命。

(四)具体实施方式

下面举例对本发明做更详细地描述：

本发明的技术方案包括：一、镍钛合金车针基体的加工；二、镍钛合金车针基体和金刚石颗粒的电镀前处理；三、采用直流电镀的方法，在车针头部镀覆一层金刚石复合镀层；四、对制备的金刚石车针进行电镀后的真空热处理。

本发明中步骤一中的镍钛合金车针基体的加工是通过机加工方法实现的，通过机加工方法加工出特定形状的镍钛合金车针基体，包括车针头部、颈部和柄部。

本发明中步骤二中的镍钛合金车针基体的电镀前处理步骤为：机械打磨→绝缘→有机化学除油→碱洗除油→超声波热碱洗→热水清洗→冷水清洗→化学浸蚀→冷水清洗→化学活化

其中，有机化学除油采用丙酮溶液，超声清洗15min；碱洗除油采用含有NaOH 35-55g/l，Na₂CO₃ 30-45g/l，Na₃PO₄ 25-35g/l和Na₂SiO₃ 3-7g/l的碱液，在温度80℃条件下保温20min，然后在超声条件下清洗10min。化学浸蚀采用HF和HNO₃的混合溶液(体积比HF(40wt.％):HNO₃(65wt.％)＝1:3)，浸蚀至冒红烟；化学活化采用HCl和H₂SO₄的混合溶液(HCl 350ml/L和H₂SO₄ 650ml/L)或采用HF和H₂SO₄的混合溶液(体积比HF(40wt.％):H₂SO₄(98wt.％)＝1:1)，活化10-15分钟。

本发明中步骤二中的镍钛合金车针基体的绝缘是指将镍钛合金车针基体的

非电镀部分，即车针颈部和柄部，用绝缘胶或热塑管绝缘。

本发明中步骤二中的金刚石颗粒的电镀前处理步骤为：热酸洗→水洗至pH

为7.0→热碱洗→水洗至pH为7.0→超声波清洗→烘干→浸入电镀液中备用。热

酸洗是指在浓硫酸(98wt.％)和水体积比为1:1的酸溶液中煮沸30min；热碱洗

是指在碱液(含有NaOH 35-55g/l，Na₂CO₃3 0-45g/l，Na₃PO₄ 25-35g/l和Na2SiO₃3-7g/l)与水的重量比为1:4的碱液中煮沸30min。

本发明中步骤二中的电镀前预处理的目的是去除车针基体表面的氧化膜、油污和金刚石上的油污。

本发明中步骤三中的复合镀层的制备工艺为：配制镀液→打底镀→上砂镀→增厚镀。配制的电镀液成分为NiSO₄·6H₂O 250～350g·L^-1，NiCl₂·6H₂O 35～50g·L^-1，H₃BO₃ 30-45g·L^-1，十二烷基硫酸钠0.05～0.1g·L^-1。

本发明中步骤三中的打底镀包括冲击镀和空镀。冲击镀镍的电镀工艺参数为：2-4A/dm²，时间5-15min；空镀镍的电镀工艺参数为：0.5-3A/dm²，时间10-30min。

本发明中步骤三中的金刚石复合镀层的制备采用圆环形中空电解镍柱或四块对称分布的电解镍板作为阳极。

本发明中步骤三中的上砂镀是在上述镀液中加入上砂槽，上砂槽由聚四氟乙烯做成，四面和底面钻有孔，以方便镀液的输送，上砂槽内侧用尼龙布包裹，内装金刚砂。上砂镀采用埋砂法，即将车针基体以45度角插入砂槽中，上砂时间到一半时调换车针方向。金刚石上砂的工艺参数为1.5-5A/dm²，上砂时间30-60min。

本发明中步骤三中的增厚镀是在上述镀液中移走上砂槽后进行的。增厚镀的工艺参数为1-3A/dm²，增厚镀时间60-300min。

本发明中步骤四中的电镀后处理工艺为：将金刚石车针放入真空热处理炉中，在温度为350-600℃下保温30-150min。

具体实施方式一：镍钛合金表面电镀镍后的热处理工艺研究

采用镍钛合金车针基体为研究对象，成份为Ti-50.8 at.％Ni。在电镀前，对镍钛合金片进行预处理。

(1)预处理工艺

a、用热塑管将镍钛合金车针基体的非电镀部分绝缘。

b、将镍钛合金车针基体放入丙酮溶液中，超声清洗15min，然后用蒸馏水冲洗。

c、在含有NaOH 50g/l，Na₂CO₃ 40g/l，Na₃PO₄ 30g/l和Na₂SiO₃ 5g/l的碱液中进行碱洗除油，在温度80℃条件下保温20min，然后在超声条件下清洗10min，用蒸馏水冲洗。

d、在HF和HNO₃的混合溶液(体积比HF(40wt.％)：HNO₃(65wt.％)＝1∶3)中浸蚀至冒红烟，然后用蒸馏水冲洗。

e、在HCl和H₂SO₄的混合溶液(HCl 350ml/L和H₂SO₄ 650ml/L)中活化15分钟，然后用蒸馏水冲洗。

(2)电镀

a、配制电镀液，其成分为：NiSO₄·6H₂O 280g·L^-1，NiCl₂·6H₂O 45g·L^-1，H₃BO₃40g·L^-1，十二烷基硫酸钠0.05～0.1g·L^-1。

b、对镍钛合金车针基体进行冲击镀镍，其工艺参数为：3A/dm²，时间10min。

c、进行空镀镍，其电镀工艺参数为：1.5A/dm²，时间4h。

(3)电镀后热处理

将电镀后的镍钛合金车针基体真空封装后进行热处理，处理温度为400℃，保温60min，然后随炉冷却。

将热处理后的镍钛合金车针基体的截面经1000号砂纸研磨后抛光，利用X射线能谱分析仪对截面上镀镍层和镍钛合金基体之间的界面进行Ti和Ni元素的线扫描成分分析。结果表明，采用镍钛合金基体，镀镍层和基体间在热处理过程中形成了28微米厚的扩散层，界面结合强度大幅度提高。

具体实施方式二：将电镀后的镍钛合金车针基体真空封装后进行热处理，处理温度为850℃，保温60min，然后随炉冷却。其他同具体实施方式一。

将热处理后的镍钛合金车针基体的截面用1000号砂纸磨光后抛光，利用X射线能谱分析仪对截面上镀镍层和镍钛合金基体之间的界面进行Ti和Ni元素的线扫描成分分析。结果表明，采用镍钛合金基体，镀镍层和基体间在热处理过程中能够形成扩散层，界面结合强度大幅度提高。

具体实施方式三：镍钛合金基体电镀金刚石车针的制备按如下步骤进行：

(1)金刚石的预处理工艺

a、热酸洗是指在浓硫酸(98wt.％)和水体积比为1:1的酸溶液中煮沸30min

b、水洗至pH为7.0

c、热碱洗是指在碱液(含有NaOH 50g/l，Na₂CO₃ 40g/l，Na₃PO₄ 30g/l和Na₂SiO₃5g/)与水的重量比为1:4的碱液中煮沸30min

d、水洗至pH为7.0。

e、在蒸馏水中超声波清洗15min。

f、鼓风干燥箱中100℃下烘干。

g、放入砂槽中，浸在镀液中备用。

(2)镍钛合金基体的预处理

a、称量合金车针基体的质量，然后用热塑管将镍钛合金车针基体柄部和颈部这些非电镀部分绝缘。

b、将镍钛合金车针基体放入丙酮溶液中，超声清洗15min，然后用蒸馏水冲洗。c、在含有NaOH 50g/l，Na₂CO₃ 40g/l，Na₃PO₄ 30g/l和Na₂SiO₃ 5g/l的碱液中进行碱洗除油，在温度80℃条件下保温20min，然后在超声条件下清洗10min，然后用蒸馏水冲洗。

d、在HF和HNO₃的混合溶液(体积比HF(40wt.％):HNO₃(65wt.％)＝1:3)中浸蚀至冒红烟，然后用蒸馏水冲洗。

e、在HCl和H₂SO₄的混合溶液(HCl 350ml/L和H₂SO₄ 650ml/L)中活化10-15分钟，然后用蒸馏水冲洗。

(3)电镀

a、配制电镀液，其成分为：NiSO₄·6H₂O 280g·L^-1，NiCl₂·6H₂O 45g·L^-1，H₃BO₃40g·L^-1，十二烷基硫酸钠0.05～0.1g·L^-1。

b、对镍钛合金车针基体进行冲击镀镍，其工艺参数为：3A/dm²，时间5min。

c、进行空镀镍，其电镀工艺参数为：1.5A/dm²，时间20min。

d、金刚石上砂，采用0.5，1，1.5，2A/dm2的电流密度上砂，上砂时间180min。将制备好的金刚石车针放入硝酸溶液中(HNO₃:H₂O＝1:1)溶解掉镍镀层，过滤出金刚石颗粒，干燥，称重，计算金刚石上砂量(金刚石颗粒的质量占镀层总质量的百分数)。金刚石上砂量随电流密度增加而增加，当电流密度大于1.5A/dm²时，金刚石上砂量趋于稳定。

具体实施方式四：镍钛合金基体电镀金刚石车针的制备按如下步骤进行：

(1)金刚石的预处理工艺如步骤三所述。

(2)镍钛合金基体的预处理如步骤三所述。

(3)电镀

b、配制电镀液，其成分为：NiSO₄·6H₂O 280g·L^-1，NiCl₂·6H₂O 45g·L^-1，H₃BO₃40g·L^-1，十二烷基硫酸钠0.05～0.1g·L^-1。

b、对镍钛合金车针基体进行冲击镀镍，其工艺参数为：3A/dm²，时间5min。

c、进行空镀镍，其电镀工艺参数为：1.5A/dm²，时间15min。

d、金刚石上砂的工艺参数为1A/dm²，上砂时间180min。

(4)电镀后热处理

将金刚石车针放入真空热处理炉中，在温度为400℃下保温60min。

采用上述工艺制备的金刚石车针表面金刚石颗粒分布均匀。

Claims (3)

1、一种电镀金刚石车针的制造方法，其特征是：

镍钛合金车针基体的加工：

以镍钛合金为车针基体，采用机加工方法在镍钛合金车针基体上加工出车针头部、颈部和柄部；

镍钛合金车针基体和金刚石颗粒的电镀前处理：

机械打磨→绝缘→有机化学除油→碱洗除油→超声波热碱洗→热水清洗→冷水清洗→化学浸蚀→冷水清洗→化学活化，

其中，有机化学除油采用丙酮溶液，超声清洗15min；碱洗除油采用含有NaOH 35-55g/l、Na₂CO₃ 30-45g/l、Na₃PO₄ 25-35g/l和Na₂SiO₃ 3-7g/l的碱液，在温度80℃条件下保温20min，然后在超声条件下清洗10min；化学浸蚀采用体积比40wt.％的HF：65wt.％的HNO₃＝1∶3的HF和HNO₃的混合溶液，浸蚀至冒红烟；化学活化采用HCl 350ml/L和H₂SO₄ 650ml/L的HCl和H₂SO₄的混合溶液或采用体积比40wt.％的HF：98wt.％的H₂SO₄＝1:1的HF和H₂SO₄的混合溶液，活化10-15分钟；

直流电镀：

配制镀液→打底镀→上砂镀→增厚镀，

镀液成分为NiSO₄·6H₂O 250～350g·L^-1、NiCl₂·6H₂O 35～50g·L^-1、H₃BO₃30～45g·L^-1、十二烷基硫酸钠0.05～0.1g·L^-1；

打底镀包括冲击镀和空镀，冲击镀镍的电镀工艺参数为：2-4A/dm²，时间5-15min；空镀镍的电镀工艺参数为：0.5-3A/dm²，时间10-30min；

上砂镀是在上述镀液中加入上砂槽，上砂槽由聚四氟乙烯做成，四面和底面钻有孔，上砂槽内侧用尼龙布包裹，内装金刚砂，上砂镀采用埋砂法，即将车针基体以45度角插入砂槽中，上砂时间到一半时调换车针方向，金刚石上砂的工艺参数为1.5-5A/dm²，上砂时间30-60min；

增厚镀是在上述镀液中移走上砂槽后进行的，增厚镀的工艺参数为1-3A/dm²，增厚镀时间60-300min；

电镀后处理工艺为：将金刚石车针放入真空热处理炉中，在温度为350-600℃下保温30-150min。

2、根据权利要求1所述的电镀金刚石车针的制造方法，其特征是：所述的绝缘是将镍钛合金车针基体的非电镀部分，即车针颈部和柄部，用绝缘胶或热塑管绝缘。

3、根据权利要求1或2所述的电镀金刚石车针的制造方法，其特征是：直流电镀前对上砂所用的金刚石进行电镀前处理，步骤为：热酸洗→水洗至pH为7.0→热碱洗→水洗至pH为7.0→超声波清洗→烘干→浸入电镀液中备用；热酸洗是指在98wt.％浓硫酸和水的体积比为1:1的酸溶液中煮沸30min；热碱洗是指在含有NaOH 35-55g/l、Na₂CO₃ 30-45g/l、Na₃PO₄ 25-35g/l和Na₂SiO₃3-7g/l的碱液与水的重量比为1:4的碱液中煮沸30min。