CN107208302B - 线材涂覆设备、系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种线材涂覆装置，包括：腔室，其中具有电解流体，所述腔室被配置为允许线材通过所述腔室；磁化装置，用于对所述线材施加磁场；所述腔室内的至少一个阳极电极；与所述线材电连通的阴极电连接；沙砾供应部，用于将涂覆有金属的沙砾的供应引入所述腔室中；其中所述线材被配置为磁性地吸引所述涂覆有金属的沙砾，并且所述阳极电极和阴极线材被配置为以电解的方式将金属涂层施加到所述线材以包裹所述涂覆有金属的沙砾。

Description

线材涂覆设备、系统以及方法
技术领域
本发明涉及一种线材涂覆设备和方法。特别地，本发明涉及一种制造耐磨线材的有效的设备、系统及方法。
背景技术
涂覆有如金刚石或立方氮化硼(CBN)的超级磨料的线材在诸如陶瓷，玻璃，矿石，硅和蓝宝石晶圆等硬且脆的材料的切割、切片和/或成形的领域中是重要的工具。因为这些耐磨线材使表面损坏和切口损失最小化，所以是有用的切割工具。
然而，与常规的切割工具相比，这种耐磨线材相对更昂贵。此外，使用市场中可获得的设备和工艺难以对磨粒施加均匀且连续的金属涂层。因此，市场中可获得的涂覆有金刚石或CBN的线材在其切割能力上缺乏一致性。这增加了切割的成本，因为需要定期更换。
为了实现一致的切割能力，沉积在线材上的金刚石-镍或者CBN-镍的层/涂层必须具有非常均匀的厚度和颗粒大小分布。厚度和颗粒大小分布的不一致可引起表面损坏，并导致低产量和更高的切割成本。
因此，仍有需要开发用于制造具有均匀表面厚度和颗粒大小分布的耐磨线材的有效的设备和方法。
发明内容
在第一方面中，本发明提供一种用于涂覆线材的系统，包括根据本发明的任何方面和/或实施例的第一线材涂覆装置，用于向所述线材施加金属和涂覆有金属的沙砾；和根据本发明的任何方面和/或实施例的箱模块内的第二线材涂覆装置，所述第二线材涂覆装置被配置为在所述金属和涂覆有金属的沙砾上施加金属涂层。
在第二方面中，本发明提供一种用于涂覆线材的方法，包括以下步骤：将所述线材引导至第一线材涂覆装置；向所述线材施加金属和涂覆有金属的沙砾；将所述线材引导至第二线材涂覆装置；以及在所述金属和涂覆有金属的沙砾上施加金属涂层。
相对于已知的涂覆线材的装置和方法，根据本发明的任一方面的系统、装置和设备有效地沉积具有高度一致的厚度和颗粒大小分布的涂层。
根据一实施例，所述第一线材涂覆装置可包括：其中具有电解流体的腔室，所述腔室被配置为允许线材通过所述腔室；磁化装置，用于对所述线材施加磁场；所述腔室内的至少一个阳极电极；与所述线材电连通的阴极电连接；沙砾供应部，用于将涂覆有金属的沙砾的供应引入所述腔室中；其中所述线材被配置为磁性地吸引所述涂覆有金属的沙砾，并且所述阳极电极和阴极线材被配置为以电解的方式将金属涂层施加到所述线材以包裹所述涂覆有金属的沙砾。
所述腔室可被竖直地定向，并且所述涂覆有金属的沙砾靠近所述腔室的顶部被引入。
因此，通过靠近竖直定向的腔室的顶部引入涂覆有金属的沙砾，金属离子和包裹沙砾的金属离子与所述线材直接接触，同时一些极为贴近所述线材。这有利地缩短达到特定的沉积量所需的电镀时间。
在另一实施例中，装置可包括用于允许线材通过的箱模块。箱模块可包括：在相反端处的堰，所述堰具有用于放置所述线材的狭槽，所述狭槽具有足以允许所述线材通过的宽度；以及在所述相反端处的根据本发明的任何实施例所述的滑轮组，用于电隔离所述模块。
所述箱模块可包括一对气盾，每个气盾靠近所述线材的进入点和退出点中的任一个；每个气盾包括喷嘴组件，所述喷嘴组件被配置为将空气供应以充分的流速径向地引导至所述进入点或退出点，以抵制流体的所述进入或退出。
在又一实施例中，装置可包括张紧单元，用于保持与所述张紧单元接合的线材中的张力，所述张紧单元包括：杠杆组件，包括被配置为接合来自线材卷筒的所述线材的第一杠杆臂，所述杠杆组件被构造为响应于对应于所述线材内的动态张力的力而移动；驱动构件，能够由所述移动来操作以改变用于操作所述线材的速度范围。
所述杠杆组件可包括第二杠杆臂，所述第二杠杆臂包括被配置为改变用于操作所述线材的所述动态张力的一个或多个配重。
根据又一实施例，所述金属和涂覆有金属的沙砾的施加步骤可包括下列步骤：向所述线材施加磁场；将电解流体和涂覆有金属的沙砾的混合物引入所述第一涂覆装置中；引导所述线材通过包括至少一个阳极电极的所述第一涂覆装置，同时向所述线材和阳极电极施加电连接。
所述引导步骤可包括将所述线材从第一滑轮引导至第二滑轮再至第三滑轮的步骤，所述滑轮具有在共同平面内呈三角形图案的对应的滑轮轴线。
附图说明
参考例示本发明的可能性配置的附图将便于进一步描述本发明。本发明的其它配置是可能的，并且因此，附图的特殊性不被理解为取代本发明的前述说明书的概括性。
图1是示出根据本发明的一个实施例的过程的流程图。
图2是根据本发明的另一实施例的金刚石制造过程和/或系统的示意图
图3示出：(a)根据本发明的一个实施例的滑轮组的详细视图；(b)根据本发明的另一实施例的模块中提供的滑轮组的等轴侧视图；(c)根据本发明的一个实施例的堰(weir)的详细视图；以及(d)根据本发明的一个实施例的金属滑轮的详细视图。
图4示出：(a)根据本发明的一个实施例的张紧单元的等轴侧视图；以及(b)根据本发明的一个实施例的卷取单元的等轴侧视图。
图5是根据本发明的一个实施例的用于清洁的模块的等轴侧视图。
图6是根据本发明的一个实施例的表面涂覆区段的等轴侧视图。
图7是根据本发明的一个实施例的溶剂箱的剖视图。
图8是根据本发明的一个实施例的冲洗篮的等轴侧视图。
图9是根据本发明的另一实施例的表面涂覆区段的等轴侧视图。
图10示出：(a)根据本发明的一个实施例的外壳配置的等轴侧视图；以及(b)根据本发明的另一实施例的外壳配置的等轴侧视图。
图11是根据本发明的一个实施例的测力传感器单元(load cell unit)的等轴侧视图。
图12a和图12b是根据本发明的另一实施例的张紧单元的等轴侧详细视图
具体实施方式
总体过程和系统
为了方便，下面的描述将参考应用于涂覆有金刚石的线材的制造的发明。将意识到，本发明可应用于制造其它类型的耐磨线材或表面涂覆线材。因此，引用涂覆有金刚石的线材不被看作是限制本发明的应用，而是能够同样用于其它适合的材料，诸如立方氮化硼、碳化铁、碳化钨、玻璃、矿石、硅和陶瓷。
图1示出根据本发明的实施例的用于涂覆线材的过程的流程图5。该过程以展开区段7开始，借此所制造的线材从线材卷筒展开。然后，线材被传递至处理区段10，借此线材经受诸如浸入清洁剂中的处理，以在表面涂覆15之前去除诸如油脂和污垢的不需要的颗粒。该处理的目的是确保当线材进入表面涂覆区段15时，不需要的颗粒不污染用于表面涂覆的电解质溶液，从而确保有效的电镀工艺和均匀的表面涂覆，杂质颗粒可能对此造成干扰。
处理后的线材随后被移动至表面涂覆区段15，借此线材用电镀装置被涂覆一层磨料。涂覆后的线材接着被移动至清洁区段20以将残留的电解质溶液和/或不需要的化学物从涂覆线材去除。在表面涂覆15和清洁区段20之后，清洁后的涂覆线材可被移动至另一表面涂覆区段25，借此线材用电镀装置被涂覆附加的材料层。此后跟着是用于去除残留的电解质溶液和不需要的化学物的清洁区段30，以避免下一区段中的污染。
接着，线材可重复地经过跟随有清洁区段的更多的涂覆区段，直到线材上的涂层达到期望的厚度。此后，涂覆线材经过干燥区段35，借此线材被烘干以在组装和包装40之前去除湿气。
图2示出根据本发明的另一实施例的金刚石线材制造过程和/或系统76的示意图。该过程是从第一卷轴80开始并且以终止卷轴98结束的卷轴到卷轴的过程(reel to reelprocess)。跨越在卷轴80、98之间的线材77通过由张紧单元82提供张力的多个张紧滑轮78在张力下操作。
线材77经过表面涂覆区段86，在该实施例中，表面涂覆区段86是电解过程，借此向腔室86提供涂覆有镍的金刚石颗粒84的供应，并且电解流体被供应至腔室86并被再循环88。在表面涂覆区段86之前，可以使线材经过类似于前述图1的处理区段10的处理区段，以从线材表面去除不需要的物质。
被磁化以吸引涂覆有镍的金刚石颗粒的线材77经过电解流体，并且其已附着有带有薄的镍涂层的金刚石颗粒。线材随后在到达镍涂覆级段92之前经过洗涤和冲洗配置90，借此进一步的电解过程将特定厚度的镍涂层置于线材上。电解流体由补给箱94再次供应并再循环。
涂覆有金刚石和镍的线材随后在被绕在卷轴98上以交付给最终用户之前通过洗涤和冲洗箱96。
已经描述了总体过程的各种实施例，下面是总体过程内的单个部件的描述。每个部件还能够被分离地使用，并且对于无关的应用，自身可被考虑用于分离的用途。
线材张紧部件
线材涂覆设备包括一组部件，其在整个过程中共同保持线材中的张力。这些部件包括张紧单元、缠绕单元和滑轮组。滑轮组可被提供在每个线材涂覆单元和区段之间。张紧单元用于与缠绕单元和滑轮组协同，以将线材以类似于图2中所讨论的方式从一端移动到另一端。
线材(待电镀的工件)的几何形状、轮廓、相对于阳极的方位和/或距离决定生成的沉积层的厚度和颗粒分布。例如，张力不足歪曲线材相对于阳极的方位和/或距离，并影响涂层的质量。另一方面，使线材处于张力下将损坏线材并影响涂层的质量。为此，张力单元用于调节在每个区段处施加于线材的张力，以将张力保持在有助于有效的电镀过程的特定范围内。有效的电镀过程有助于实现具有均匀厚度和颗粒大小分布的表面涂层。
任何适合的滑轮或滑轮的组合均可被用在滑轮组系统中。例如，适合的滑轮可包括但不限于固定滑轮和/或可旋转滑轮。此外，固定滑轮和/或可旋转滑轮可包括一个或多个轴承。包括多个轴承的滑轮用于提供更多的旋转效率。
滑轮或滑轮的组合可以相对于线材涂覆的特定装置或区段成角度并相距一段距离安装，以避免使线材处于张力下，否则将损坏线材并影响涂层质量。
图3a示出滑轮组190，包括安装在两个金属滑轮195、200之间的电隔离的金属滑轮205。金属滑轮195、200被安装在相同的高度处，而电隔离的滑轮205相对于金属滑轮195、200偏移，以便在滑轮的轴之间形成等腰三角形。而且，滑轮195、200、205被安装在同一竖直平面内。
本发明的一个实施例中，金属滑轮195或200中的任一个可被安装至块(block)，块转而连接至“地面(earth)”。在替代的实施例中，金属滑轮195、200二者可被安装至块，块转而连接至“地面”。
中央的滑轮205通过在滑轮的线材接合槽具有由诸如橡胶或塑料的电绝缘材料制成的涂层或环而实现电隔离。为此，这些电隔离的滑轮也可被称为“橡胶滑轮”。
前述配置具有使位于所述滑轮组中的两个之间的站(station)电隔离的作用，由此，该站的任何一侧都是“接地的”连接，并且因此防止线材将电流输送越过该站。
在本实施例中，滑轮组190可被提供在处理区段10和表面涂覆区段15之间。来自处理区段10的线材被接收并在电隔离的滑轮205之前环绕第一金属滑轮195，并且接下来是第二金属滑轮200。相同的滑轮组可被提供在表面涂覆区段25和清洁区段30之间。来自表面涂覆区段25的线材被接收并在清洁区段30之前以与对滑轮组190所描述的相同的方式环绕橡胶滑轮和金属滑轮。在该实施例中，滑轮组190用于将施加于表面涂覆区段中的线材的张力保持在有助于有效电镀过程的特定范围内。
滑轮组190可被安装在如图3b中所示的模块210中。具体地说，一对开口212、217被提供在模块210的相反的侧表面上。开口212、217可被设置在距模块210的基部预定高度处，并且被对齐为使得它们落在与滑轮组190相同的竖直平面上。
每个开口均可包括堰215。图3c是模块210中使用的堰215的详细视图。堰215可包括设置在两个相反的侧表面225、230上的一对板220和在所述板220中间的通道25。在一个实施例中，通道235可以具有特定的宽度240(例如6mm)，其可对应于具有80um至500um之间的厚度的线材，加上允许关于线材的容差的预定的距离，以确保线材如果与堰有任何接触则仅处于断续接触。
第三对板245可被提供在第三侧表面250上，使得板220、245可被固定地定位在模块210的开口或孔口中的任何一个中。在本实施例中，来自处理区段的线材经由堰215的通道235进入模块210，并在堰237的通道处退出。
虽然堰可以被固定地定位在模块210的任何一个开口内，但是将理解，可以产生在模块210的板220、245和开口之间的特定公差/距离，以便允许堰在任何一个开口内的横向调节。由于线材相对于箱模块的位置难以重新定位，堰通过移动线材的位置以将线材定位在中心处而提供可调节性。因而，箱模块中用于接收堰的孔口必须足够大，以允许堰的调节。如果堰例如是被配置为装配在箱模块的壁的孔口内的高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯构件，那么堰可以具有狭槽，堰夹在狭槽内或在箱壁上滑动。该狭槽可被定尺寸为以便允许堰在箱壁上的重新定位，同时仍具有足够的空隙以稳固且牢固地附接至壁。
线材从中通过的堰中的槽将限制可逃脱经过线材的流体的量。通过平衡对于堰的任意横向定位的足够容差，但使间隙最小化以限制流体的损失，设计者可以选择泵以基于该间隙再循环流体，并避免过分设计再循环泵。
为此目的，堰被配置为在线材涂覆过程中引导并对准移动的线材。由于本发明的一个有效的配置具有在夹带的流体的表面下方进入模块的堰，该堰仅允许模块内最小量的流体逃脱围绕线材的间隙(容差)。通过邻近堰布置收集区域，该最小的逃脱流体可被容易地收集和再循环。
因此，用于各种应用的标准模块可包括腔室或箱，在箱的每端处具有堰，以允许线材在夹带的流体的表面下方通过。在箱的任一端处的滑轮组的使用随后提供张紧保持特征部和模块与上游和下游相邻级段的电隔离。由滑轮组提供的张紧保持特征部也控制线材沿指定的线性路径通过，并因此不论模块上游和下游的线材如何移动而防止线材的横向移动。
进一步的优点是，相同的模块可被适用并使用于涂覆各种厚度的线材。这可通过使用具有对应于线材的期望厚度的通道的堰以及提供之前提到的容差来实现。
为节省规模，模块可容纳一组或多组滑轮以满足一条或平行的多条线材涂覆生产线的需要。例如，虽然前面的讨论已讨论单个线材涂覆过程，实际上，总体过程的模块化性质也允许数条这种线材平行通过模块。
表面涂覆区段15、25必须与线材涂覆过程的其余部分电隔离开，以防止短路和电击。在本发明的本实施例中，表面涂覆区段15可以通过将在下列区段之间支撑线材的滑轮组接地而被隔离：
1、处理区段10和表面涂覆区段15；以及
2、表面涂覆区段15和清洁区段20
如之前所讨论的，包括两个金属滑轮和中间电隔离滑轮的滑轮组被连接至“地面”，同时仍支撑移动的线材。滑轮内的轴承在移动的线材和滑轮的轴之间提供不良的接触，并因此不能提供可靠的电接触。所以，不能应用常规的接地方法，因为任何接地的附件都将干扰滑轮的移动部件和/或轴承。
图3d示出根据本发明的一个实施例电接地的金属滑轮260。汞附件265被提供在金属滑轮的轴270与环280之间。根据滑轮的预期目的，环280包括诸如一个或多个轴承的移动部件。液态的汞连接件265在诸如轴270、环280的旋转部件与移动的线材之间提供恒定且可靠的电连接。
为此，来自表面涂覆区段25的积累的危险的静电荷和未使用的电流可流过金属滑轮并被安全地接地。
图4a示出张紧单元50，包括：连接到用于接收来自线材卷筒(未示出)的线材的滑轮60的第一杠杆臂55；和包括一个或多个配重70的第二杠杆臂65。支轴77在各杠杆臂55、65的与滑轮60和配置70相反的端部通过连接臂将第一杠杆臂55连接至第二杠杆臂65。张紧单元50可包括电动机和邻近第二杠杆臂65的轮76。
电动机提供用于从线材卷筒向下游区段10、15、20、25等移动线材的驱动力。配重70产生对抗动态张力FT的力Fw，由此减小移动线材所需的驱动力和作用力。动态张力FT是在滑轮60处施加于线材上的净力(net force)，并且包括来自线材卷筒的惯性和通过下游区段传递到线材的力的组合。在本发明的一个实施例中，配重的量可以改变，以改变用于操作所述线材的张力。在另一实施例中，配重可以沿杠杆臂65移动以改变用于操作所述线材的张力。
杠杆臂55、支轴77和杠杆臂65形成一体的单元，使得杠杆臂65镜像杠杆臂55的移动。施加在线材上的动态张力FT引起杠杆臂55、65的移动。该移动由轮76捕获并被转换为与FT成正比的电信号。该电信号进而被用于确定将线材从线材卷筒移动至下游区段所需的驱动力。该施加在线材上的驱动力进一步确定线材行进通过诸如表面涂覆区段15、25等下游区段的张力和速度。.
如图11所示，测力传感器单元435的滑轮440确定张紧单元的移动(例如向上或向下)的程度。杠杆455将445支撑抵靠测力传感器450，以提供关于滑轮440的移动的反馈。
通过向上移动杠杆臂，由于动态张力FT向上，电动机必须更快运转以便向下移动张紧单元并由此减小FT。这随后导致电动机慢下来。因此，这是通过电动机控制来自调节FT的直接反馈回路。
此外，测力传感器有利地识别可能由下游的一个或多个滑轮组中损坏的轴承引起的线材的张力中的峰值。
反馈系统可被提供为在显示屏或可编程逻辑控制器上显示测得的力。另外，可安装报警系统以当施加在线材上的力超出预定值时表示出状况。更重要地，反馈和报警系统协同反映从预定范围的偏离，并因此可有助于质量控制、维护并避免任何下游区段出现瓶颈。
图4a、4b、12a和12b示出缠绕设备的各种视图，缠绕设备可被提供在组装和包装区段40处。缠绕设备100在图4b中示出，其包括类似于关于图4a所描述的张紧单元105和张紧滑轮110(如图12a和12b中所示)，为了简洁不进行重复描述。缠绕设备100也可包括测力传感器107。滑轮110可相对于干燥区段和卷筒成角度并相距一端距离安装，以便提供将涂覆的线材缠绕至卷筒上所需的旋转效率。
为此，张紧单元、缠绕装置和滑轮组协同以便以预定的张力和有效的电镀过程所需的速度移动线材。
总之，表面涂层的厚度和颗粒分布可以是移动的线材的速度、在表面涂覆区段中的滞留时间、电解质浓度、温度、电源的电流量和电压的函数。该函数的上述元素之间的关系将在下面的段落中详细描述。
洗涤和冲洗模块
如前面提到的，理想地说，为了最大的切割能力和性能，耐磨线材应具有均匀的表面厚度和颗粒大小分布。为实现这点，线材必须被处理以在表面涂覆15可以开始之前充分去除线材表面上不需要的颗粒，诸如来自制造和预加工操作的油膏和油。目标是实现化学上清洁的表面，使得电镀沉淀物能够附着。
在处理区段10中，来自线材卷筒的线材进入包含清洁剂的残余去除箱285，如图5中所示，由此线材被浸在清洁剂中以在表面涂覆15之前去除不需要的颗粒。
任何适合的清洁方法和清洁剂都可被用于从线材去除不需要的颗粒。例如，适合的清洁方法可包括但不限于热处理、蚀刻、化学处理或者其组合。另外，适合的清洁剂的示例包括水、酸、碱或者其组合。此外，残余去除箱可被提供有超声换能器，以便对所述线材施加超声波以帮助清洁和去除不需要的颗粒。
清洁方法和清洁剂的选择取决于预期的清洁需求。在本实施例中，线材表面可以用温的标准碱性清洗剂或者大约40℃至50℃的抑制碱性清洗剂(inhibited alkalinecleaner)来处理或清洁(以下称为“温冲洗(warm rinsing)”)。替代地，线材表面可以使用室温下的盐酸或硫酸清洁(以下称为“酸浸(acid dipping)”)以去除氧化层。在另一实施例中，线材可以在一个残余去除箱中使用温冲洗，随后在另一残余去除箱中使用酸浸来清洁。
在本实施例中，残余去除箱285可被提供有在残余去除箱285的相反的侧表面295、300上的一对溢流孔287、289。溢流孔可被设置在距箱285的底部预定高度处，并被对齐为使得其落在相同的竖直平面上。每个溢流孔可被适配有类似于前面关于图3b和图3c描述的堰。
残余去除箱285可由配置为收集从残余去除箱溢出的清洁剂的收集区域围绕。收集区域可被设置在侧表面295、300和相反的侧表面297、302之间。收集区域可被提供有一对开口310、315，一对开口310、315设置在距箱285的底部预定高度处，并被对齐为使得其落在与溢流孔287、29以及它们各自的堰相同的直线路径上和/或移动线材的路径上。来自展开区段7的线材经由开口310、溢流孔289进入残余去除箱285，并经由开口315在溢流孔287处退出。因此，一旦线材经由溢流孔289及其对应的堰进入残余去除箱，则线材被暴露于清洁剂并且受到清洗。
残余去除箱285的开口、溢流孔和收集区域可被选择以将移动的线材完全浸入在清洁剂中。这有助于防止诸如污垢和尘土的不需要的颗粒的污染和聚集，不需要的颗粒会不利地影响表面涂层的厚度和颗粒大小分布的一致性。
清洁剂经由堰的通道流过溢流孔287、289进入收集区域。溢出的清洁剂可被再循环并且返回至残余去除箱285以再次使用。此外，可以提供泵以将清洁剂以期望的补充率从收集区域引导至残余去除箱285。而且，可以提供再循环箱，在被返回至残余去除箱285之前通过再循环箱处理清洁剂以充分去除任何碎屑和/或不需要的物质。可向残余去除箱285提供新的和未使用的清洁剂的连续供应，以保持清洁剂处于足以避免下一个箱的污染的纯度水平。
每个开口310、315可被适配有包括用于接收线材的凹口的气盾(air shield)。该凹口可包括一个或多个与空气供应部连通的孔口或喷嘴。气盾可被构造为沿横向于移动的线材进入325和退出330残余去除箱285的方向的各自的径向方向喷射空气。空气供应部可以被控制在足够的流速以抵制流体进入325或退出330。为此，气盾起到垫圈的作用，其填充线材和凹口之间的空间以防止从残余去除箱285泄漏。
具体地说，溢流孔287、289处的堰在处理过程10期间引导、对齐或重新对齐移动的线材。此外，清洁剂可以以受控的流速流过堰进入收集区域，这进一步取决于堰通道的宽度。而且，同一残余去除箱285可简单地通过使用具有匹配所期望的线材厚度的通道的堰而被适用并使用于清洁具有变化厚度的线材。
将理解，滞留时间为线材被暴露于清洁剂并且受到清洗的时间，滞留时间足以使得碎屑从线材被充分去除。
在残余去除箱中处理后，线材可被移动至接下来的冲洗箱以去除在处理步骤10中使用的清洁剂或化学物。这是为避免在线材表面上的不需要的反应，并避免在下一个箱中的污染。
将理解，仅将线材没入水中并不充分冲洗线材，除非其长时间在水中。可以使用几种提高冲洗效率的方法，诸如热水和空气搅动。也可以采用直接在处理箱上方喷洗作为节水的方法。
为节省规模，残余去除箱285可容纳并清洁一个或多个线材涂覆生产线。
线材涂覆过程
在本实施例中，处理后的线材可通过磁化站并随后进入电镀装置150，如图6中所示，使得涂覆有镍的金刚石颗粒(沙砾)通过镍(并因此金刚石颗粒)对线材的磁引力被附着到线材表面。电镀设备150可被提供有设置在中空的竖直柱或管160中的一个或多个镍板155(阳极)。竖直柱被配置为使得其包围镍板以防止诸如污垢和尘土的不需要的颗粒的污染和聚集，不需要的颗粒会不利地影响电镀过程的厚度和颗粒大小分布的一致性。镍板155和竖直柱160可被支撑在外壳或结构170中。
处理后的线材165在竖直柱160的底部被接收并被定位为使得其沿平行于镍板155的路径移动。该配置使线材165(阴极)与镍板155(阳极)保持距离恒定，为了产生具有高度一致的厚度和颗粒大小分布的金刚石-镍沉积物，需要保持距离恒定。电镀后的线材随后在竖直柱160的顶部处退出。用于良好的线材涂覆的有效方法可包括与液体流动相反地移动线材以迫使线材通过液体。由于沿与氨基磺酸镍(nickel sulfamate)相同的方向移动线材对流体有干扰，并且流体会随线材移动而不是与其发生反应。
在本发明的该实施例中，包括涂覆有镍的金刚石沙砾和溶解在适合的溶剂中的氨基磺酸镍的混合物的电解质溶液被配置为通过重力流过镍板155和线材165。可以使电源和预定值的电流通过线材165(阴极)和镍板155(阳极)，使得镍板155以镍离子的形式被溶解至电解液中。包裹金刚石沙砾的镍离子和溶解的镍离子行进通过电解质溶液，并沉积在线材165(阴极)上。因此金刚石沙砾通过电镀的镍沉积层被结合至线材。
对于本发明的一个实施例，镍板可采取提供线材(阴极)至镍板(阳极)的一致距离的任何形式和形状。在本实施例中，镍板被配置成圆柱形的形状。在替代的实施例中，镍板可包括具有镍托盘(pallet)的金属盘。在另一实施例中，镍板可包括至少两个平行的镍板或平行的包含镍托盘的盘。
此外，镍板、电解质溶液的供应部和电镀装置可采取允许电解质溶液、镍板和线材之间连续且恒定接触的任何合适的构造。在本实施例中，镍板被设置在竖直柱中，同时线材被配置为平行于镍板移动。电解质溶液被配置为通过重力流过镍板和线材。在替代的实施例中，镍板可被浸在电解槽中，在此，线材被配置为进入槽并沿平行于镍板的路径移动。
根据本发明的电解质溶液被配置为通过重力流过镍板和线材的实施例中，电解质溶液的流动使镍离子和涂覆有镍的金刚石离子与线材直接接触，同时有一些极为贴近线材。在施加电流后，电子从镍板向线材的迁移被供应给已经与线材接触的镍离子和涂覆有镍的金刚石离子。因此，具有分散在整个镍基(nickel matrix)中的具有金刚石沙砾的镍沉积层可开始形成在线材上。这发生在电镀过程的初始阶段，即甚至在周围的镍离子的迁移完成之前。这有利地缩短了用于达到特定量的沉积所需的电镀时间。
在线材被配置为沿平行于浸在电解质溶液槽中的镍板的路径移动的替代的实施例中，电解质溶液中的镍离子和涂覆有镍的金刚石离子在施加电流后迁移至线材。这与使用其中镍离子和涂覆有镍的金刚石离子被设置为在电镀过程的初始阶段期间与线材直接接触的之前的实施例的电镀不同。当在本实施例中施加相同的电流和电压时，达到特定量的沉积所需的电镀时间将比之前的实施例更长。
遵循电解的法拉第定律的原理，施加到阴极和阳极的电流密度的增加将增加每单位面积的沉积。然而，根据欧姆定律，电流量将与电压成正比。因此，施加高电流密度将意味着对阳极和阴极施加相应的高电压。然而，施加高电压导致低效和沉积物发热，这在耐磨线材的制造中是不希望并且不能接受的。
替代地，单位面积的沉积可通过增加电镀时间来增加。然而，这将影响制造过程的总体效率。
本发明在不需要增加电流或电压的情况下通过缩短电镀时间克服上述问题。
对于本发明的任何实施例，竖直柱160可由任何适合的材料制成。例如，该柱可包括但不限于聚合物和塑料。另外，适合的聚合物可包括亚克力。
虽然对于竖直柱的线材电镀腔室而言能够实现一定的效率，包括滞留时间，将理解，水平的腔室也可以用于该目的。这样的配置可能需要金刚石颗粒在更活跃的基(activebasis)上再循环。
对于本发明的任何实施例，电解质溶液可被提供在溶剂箱中。溶剂箱可被提供有一个或多个搅拌泵，以保持涂覆有镍的金刚石沙砾悬浮在氨基磺酸镍溶液中。此外，可以提供一个或多个泵以及一个或多个管，以将电解质溶液引导至电镀单元(electroplatingcell)150。而且，溶剂箱可被配置以便于收集并再循环从电镀单元150流出的电解质溶液。
可以向溶剂箱180提供新的和未使用的电解质溶液的连续供应，以在电镀过程期间保持电解质溶液处于足以避免污染的纯度水平。
将理解，可以使用任何适合的泵。例如，适合的泵可包括手动泵或自动泵。在本实施例中，提供双重自动泵系统以将电解质溶液引导至电镀单元150。在一个泵故障的状况下，该双重泵配置允许从故障的泵切换至备用泵。
在本实施例中，如图7中所示，溶剂箱180可包括半球形内表面185。具有大半径曲形的内表面防止金刚石颗粒在角落和边缘处积聚，并因而防止在溶剂箱内形成死区。
对于本发明的任何实施例，可以使用包含一种或多种溶解的金属盐(优选包括待沉积的金属)和允许电流动的其它离子的任何适合的电解质溶液。例如，适合的电解质溶液包括但不限于氨基磺酸镍、硫酸镍和氯化镍。选择取决于所期望的沉积物的性质。
在使用本发明的实施例的特定应用中，可以使厚度在80μm至500μm之间的线材(例如具有黄铜涂层的硬化钢)通过包括四个电镀装置的表面涂覆区段。每个电镀装置包括高度为800mm的镍板。包括300克涂覆有镍的金刚石沙砾的120升氨基磺酸镍溶液被提供在溶剂箱中。氨基磺酸镍溶液和涂覆有镍的金刚石沙砾的混合物随后被允许在大约53℃至55℃下流过电镀装置、线材和镍板中的每个。具有5伏特和1.5安培的输出的电源被施加到线材(阴极)和镍板(阳极)。根据未涂覆的线材的厚度和线材的移动/操作速度，镍层被涂覆在线材上，并且具有0.5μm至1μm厚度的金刚石粉末被涂覆在线材上。
表面涂覆区段15之后，残留的氨基磺酸镍溶液保持在线材上并被转移至滑轮。具体地说，氨基磺酸镍溶液将在滑轮的槽中硬化并因此阻碍线材与接地的和/或电隔离的金属滑轮之间的接触。这不利地妨碍在金属滑轮处提供的接地连接。没有适当的接地，来自线材涂覆区段15的未使用的电流和有害的静电电荷可能泄漏到其它区段并影响线材涂覆区段15处的沉积质量。此外，线材涂覆设备整体失去其防止短路和电击的保护，这进而可影响下游的电镀过程。
图8示出根据本发明的实施例的相对于滑轮340安装的冲洗篮335。可以向该篮供应连续流动的清洁水，用于冲洗滑轮以便去除存在于滑轮上的残留的氨基磺酸镍溶液。通常，来自线材的残留的氨基磺酸镍溶液被转移到滑轮的环345。因此，本发明的篮被设置为使得环345的一部分保持在冲洗篮335的附近。为此，当滑轮转过该篮时，氨基磺酸镍溶液被清洗掉。这保持线材与滑轮组中的滑轮之间的电连接和/或接触，这对于表面涂覆区段的接地、隔离和表面涂覆等是需要的。冲洗篮有利地减少了对于定期更换滑轮的需要，因而将大大减小金刚石涂覆线材的制造成本。
为节省规模，包括电镀装置150的结构170可容纳一个或多个电镀装置以满足一条或多条线材涂覆生产线。
清洁
在表面涂覆区段15之后，涂覆后的线材必须被清洁以在线材涂覆过程中的下一区段之前从线材表面基本去除残留的氨基磺酸镍溶液和不需要的化学物质。这是为避免线材表面上不需要的反应，并避免溶液污染。
在清洁区段20中，来自表面涂覆区段15的线材进入残余去除箱，在残余去除箱中，线材被浸入清洁剂中以在线材涂覆过程中的下一区段之前去除不需要的化学物质。残余去除箱可包括类似于前面关于图5所描述的特征部和步骤，并因此为了简洁不进行重复描述。
在本实施例中，涂覆的线材可使用蒸馏水或去离子水被处理或清洁。此外，可以使用提高冲洗效率的几种方法，诸如加热水、空气搅动和/或直接在残余去除箱上方喷洗。将理解，可以使涂覆的线材通过一个或多个残余去除箱，以便使下一个箱或线材涂覆区段中的污染最小化。
而且，可以提供类似于前面描述的图8的冲洗篮，用于冲洗表面涂覆区段20后面的滑轮组，以便去除存在于滑轮上的残留的氨基磺酸镍溶液。
镍电镀槽
在表面涂覆区段15和清洁区段20之后，线材可通过一个或多个镍涂覆区段25和清洁区段30，直到已实现特定厚度的涂层。
在本实施例中，来自区段15、20的涂覆有金刚石并被清洁的线材可通过如图9所示的电镀装置375，在此，镍层被沉积到涂覆有金刚石的线材的表面上。电镀装置375可包括一个或多个平行的镍板380(阳极)，或者包含浸在电解槽385中的镍托盘的一个或多个平行的盘。电解槽385可以用与前面描述的图3b相同的标准模块溢流孔和堰390、395提供。
电镀装置375的开口、溢流孔和收集区域可以被选择为将移动的线材完全浸入电解槽385中。这有助于防止诸如污垢和尘土等不需要的颗粒的污染和聚集，不需要的颗粒会不利地影响表面涂层的厚度和颗粒大小分布的一致性。
根据预期的应用，本实施例的模块可包括一个或多个电镀装置，用于一条或多条线材涂覆生产线。
该模块可包括被配置为收集从电解槽385、415、420溢出的电解质溶液的收集区域400。收集区域400可被提供有一个或多个开口405、410和类似于前面描述的图5中的残余箱285的对应的气盾。开口可以与对应的溢流孔和堰对齐，使得它们落在相同的竖直平面上，并沿着移动的线材的路径。
在电解槽385中，涂覆有金刚石的线材经由收集区域400的一个侧表面上的第一开口和堰390进入槽385，沿平行于镍板380的路径行进，并经由堰395和收集区域400的第二侧表面上的第二开口从槽385退出。如前面所提到的，该配置提供恒定的线材(阴极)至镍板(阳极)的距离，这对于实现表面涂层的均匀厚度和颗粒大小分布是重要的。
可以在表面涂覆区段25中提供类似于前面描述的表面涂覆区段15的电源、电解质溶液的供应部、泵配置、搅拌泵、冲洗篮、再循环。
在使用本公开的实施例的特定应用中，具有在101至105μm之间的厚度的涂覆有金刚石的线材通过包括长度为600mm的镍板的电解槽。槽包括800升(镍密度为1.35-1.36波美度)，大约为53至55℃。根据线材的操作/移动速度和尺寸，具有1至7伏特和0.2至3安培的输出的电源可被施加到线材(阴极)和镍板(阳极)。当电镀被执行7秒并且线材以每分钟2米移动时，具有0.5至1μm的厚度的镍层，取决于未涂覆线材的厚度和移动线材的移动/操作速度，被涂覆至金刚石涂覆线材上
清洁
在表面涂覆区段25之后，因与前述清洁区段20类似的原因，涂覆后的线材必须被清洁。
在清洁区段30中，来自表面涂覆区段25的线材进入残余去除箱，在此，线材被浸入清洁剂中以在线材涂覆过程中的下一区段之前去除不需要的化学物质。残余去除箱可包括类似于前面关于图5和清洁区段20所描述的特征部和清洁步骤。
干燥
在最后的表面涂覆和清洁区段完成后，线材应被彻底干燥。完全的干燥对于防止生锈和腐蚀是必要的。
对于本发明的任何实施例，干燥区段35可包括一个或多个加热器用于在组装和包装之前从涂覆线材去除湿气。而且，加热器可以被单独地或共同地运行。根据特定的实施例，干燥区段包括六个加热器用于同时干燥一个或多个线材。在该实施例中，线材优选地彼此间隔至少89mm。
其它部件
对于本发明的任何实施例，可以在诸如表面涂覆区段15、25的一个或多个线材涂覆区段处提供直径测量装置，用于测量涂覆线材的厚度/直径。测量装置可包括传感器组、发送器和接收器。具体地说，直径测量装置对于检查和质量控制目的是有用的。
此外，可在重绕装置(rewinding device)处提供编码器，用于测量收集/集合在线材卷筒上的涂覆线材的长度。
根据本发明的任何实施例，可以提供适合的外壳配置用于容纳处理区段10、表面涂覆区段15和清洁区段20。根据制造场所的可用工作空间，外壳配置可以单独地或共同地容纳每个区段。
图10a和图10b示出适合的外壳配置350、360的实施例。外壳配置350可包括包含通风系统355的封闭式结构。通风系统355用于去除诸如氨基磺酸镍蒸汽和/或来自氨基磺酸镍、去离子水和/或碱性清洁剂的水蒸汽的不需要的蒸汽。外壳配置350、360可包括诸如窗365、铰接的门370和/或滑动门的一个或多个访问点，用于每个区段内的装备和装置的检查和维护。将理解，可以根据健康和安全需要以及每个线材涂覆区段内发生的活动/反应的性质来定制外壳配置。
对于本发明的任何实施例，可以在处理区段、表面涂覆区段、清洁区段和干燥区段的每个中提供温度控制单元。温度控制单元可包括可温度传感器和可由软件操作的温度控制器。温度传感器评估线材涂覆设备的每个区段中的温度，并控制加热器和/或冷却器以根据用户定义的设置调节温度。
根据本发明的任何实施例，可以在线材涂覆设备的每个电气装置中提供具有适合的工作特性的保险丝。该保险丝充当牺牲装置以在太多电流流过保险丝时提供过电流保护。为此，每个电气装置可以在短路、过载、不匹配负载或装置故障期间与线材涂覆设备的其它部分隔离开。将理解，可以选择诸如保险丝允许通过的负荷的电流工作特性，以在不中断的情况下提供足够的保护。

Claims (7)

1.一种线材涂覆装置，包括：
腔室，其中具有电解流体和竖直柱，所述腔室被配置为允许线材通过所述腔室；
磁化装置，用于对所述线材施加磁场；
所述竖直柱内的至少一个阳极电极；
与所述线材电连通的阴极电连接；
沙砾供应部，用于将涂覆有金属的沙砾的供应引入所述腔室中；
其中所述线材被配置为磁性地吸引所述涂覆有金属的沙砾，并且所述阳极电极和阴极线材被配置为以电解的方式将金属涂层施加到所述线材以包裹所述涂覆有金属的沙砾；
其中所述腔室被竖直地定向，并且所述涂覆有金属的沙砾靠近所述腔室的顶部被引入；
其中所述电解流体被配置为流动通过所述竖直柱；并且
所述线材被进一步配置为沿与所述电解流体的流动相反的方向并且平行于所述竖直柱移动。
2.根据权利要求1所述的线材涂覆装置，其中所述沙砾包括金刚石颗粒，并且所述金属包括镍。
3.根据权利要求1所述的线材涂覆装置，其中所述阳极电极为圆柱形的形状。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的线材涂覆装置，进一步包括用于再循环所述电解流体的再循环系统；
所述再循环系统包括具有内表面的再循环箱，所述内表面在所述表面的角落和边缘处具有大半径曲线；
所述再循环箱与所述腔室流体连通。
5.一种用于涂覆线材的方法，所述方法包括下列步骤：
将所述线材引导至第一线材涂覆装置，所述第一线材涂覆装置包括腔室，所述腔室具有电解流体和竖直柱；
磁化所述线材并由此向所述线材吸引涂覆有金属的沙砾；
将所述线材引导至第二线材涂覆装置；
靠近所述腔室的顶部引入所述涂覆有金属的沙砾将电解流体的混合物注入所述第一线材涂覆装置和所述第二线材涂覆装置，所述电解流体具有金属离子；
向所述线材施加电连接；
所述金属离子通过电解在所述线材上形成金属涂层；以及
其中所述电解流体的混合物流动通过竖直柱；并且
所述线材被配置为沿与所述电解流体的流动相反的方向并且平行于所述竖直柱移动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中阳极电极为圆柱形的形状。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述引导步骤包括将所述线材从第一滑轮引导至第二滑轮再至第三滑轮的步骤，所述滑轮具有在共同平面内呈三角形图案的对应的滑轮轴线。
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