CN107675147A - 一种金刚石微钻工具及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石微钻工具及其加工方法。该微钻工具的表面镀有磨削加工层，磨削加工层包括固结磨粒复合镀层和微米金刚石，固结磨粒复合镀层包括纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯。同时也公开了一种金刚石微钻工具的加工方法。本发明采用化学复合镀的方法制备含金刚石的微钻，该微钻用化学镀法制备，具有工艺简单、成本低、耐磨性好的特点。磨削层中的固结磨粒镀层为纳米金刚石和聚四氟乙烯复合镀层，纳米金刚石的加入使复合镀层的硬度更高，耐磨性更好，提高了镀层的耐磨性以及固结磨粒层对金刚石磨粒的把持力，纳米聚四氟乙烯颗粒能够减小镀层与孔壁的摩擦，减小固结磨粒层的磨损，延长微钻的使用寿命。

Description

一种金刚石微钻工具及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石微钻工具及其加工方法。
背景技术
随着工业技术的发展，硬脆材料微结构加工、以及微小零部件和微细产品在电子、机械、生物技术等领域的需求日益增加。目前适用于硬脆材料微细加工的方法主要有微细超声加工、微细激光加工。由于微细超声加工没有热作用、可以加工高深宽比的微小三维立体结构，零件表面质量及加工精度高，决定了微细超声加工在硬脆材料微细结构加工方面具有得天独厚的优势。
微钻在微细超声加工中起着很重要的角色，一般的微钻是用电弧沉积和溅射沉积的方法(参见CN101230459A)在微钻表面镀上一层硬度较高的薄膜，以提高钻针的硬度，这种微钻通常用于金属及塑料等材料的微细加工。对于玻璃、蓝宝石、陶瓷等硬脆材料一般是用金刚石微钻进行超精密微细加工，例如手机玻璃盖板的微细孔与微细槽的加工，硅片的微细孔加工等。目前金刚石微钻通常是用复合电镀法(参见CN104723184A)在微钻针表面制备含金刚石的耐磨磨削层，以此来提高钻针的耐磨性。但是用复合电镀法制备的微钻硬度低，镀层孔隙率高，镀层厚度不均匀，严重影响了钻针的加工精度和寿命。
目前用复合电镀法制备的微钻的固结磨粒层都是单一的合金镀层，由于单一合金镀层的耐磨性低，钻削过程中镀层容易被磨损，造成金刚石磨粒的出刃高度过大，容易脱落，从而使微钻的使用寿命有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石微钻工具及其加工方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种金刚石微钻工具，该微钻工具的表面镀有磨削加工层，磨削加工层包括固结磨粒复合镀层和微米金刚石，固结磨粒复合镀层包括纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯。
微钻工具为硬质合金。
磨削加工层的厚度为5～50μm。
上述的一种金刚石微钻工具的加工方法，包括以下步骤：
1)将微钻工具依次经过碱洗、粗化、敏化、活化进行预处理；
2)将预处理后的微钻工具在含有纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液A中进行预镀；
3)将预镀后的微钻工具在含有纳米金刚石、微米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液B中进行镀覆；
4)将镀覆后的微钻工具进行热处理。
加工方法步骤2)中，复合镀液A的制备方法如下：
1)将纳米金刚石、表面活性剂、分散剂和水混合，配成金刚石悬浮液A；
2)将纳米聚四氟乙烯与分散剂溶液混合，配成纳米聚四氟乙烯乳液；
3)将金刚石悬浮液A、纳米聚四氟乙烯乳液和化学镀液混合，配成复合镀液A；
复合镀液A中，纳米金刚石的质量分数为0.1～5％，纳米聚四氟乙烯的质量分数为0.1～4％。
加工方法步骤3)中，复合镀液B的制备方法如下：
1)将纳米金刚石、微米金刚石、表面活性剂、分散剂和水混合，配成金刚石悬浮液B；
2)将纳米聚四氟乙烯与分散剂溶液混合，配成纳米聚四氟乙烯乳液；
3)将金刚石悬浮液B、纳米聚四氟乙烯乳液和化学镀液混合，配成复合镀液B；
复合镀液B中，纳米金刚石的质量分数为0.1～5％，微米金刚石的质量分数为0.5～5％，纳米聚四氟乙烯的质量分数为0.1～4％。
表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、OP-10乳化剂中的至少一种；分散剂为聚乙二醇、六偏磷酸钠，焦磷酸钠中的至少一种；化学镀液为Ni-P镀液、Ni-Mo-P镀液、Ni-W-P镀液的其中一种。
加工方法步骤2)中，预镀的温度为80～90℃，预镀的时间为5～30min。
加工方法步骤3)中，镀覆的温度为80～90℃，镀覆的时间为1～3h。
加工方法步骤4)中，热处理的温度为400～550℃，热处理的时间为1～3h。
本发明的有益效果是：
本发明专利采用化学复合镀的方法制备含金刚石的微钻，该微钻用化学镀法制备，具有工艺简单、成本低、耐磨性好的特点。磨削层中的固结磨粒镀层为纳米金刚石和聚四氟乙烯复合镀层，纳米金刚石的加入使复合镀层的硬度更高，耐磨性更好，提高了镀层的耐磨性以及固结磨粒层对金刚石磨粒的把持力，纳米聚四氟乙烯颗粒能够减小镀层与孔壁的摩擦，减小固结磨粒层的磨损，延长微钻的使用寿命。
具体如下：
1、用化学复合镀方法制备的微钻，摒弃了复合电镀法微钻硬度低，镀层孔隙率高，镀层不均匀导致加工精度低的缺点，且具有工艺简单、成本低、耐磨性好的特点。
2、本发明中微钻磨削层中的固结磨粒镀层加入纳米金刚石微粒，比起单一的合金镀层复合镀层硬度高，耐磨性好，提高了固结磨粒层对金刚石磨粒的把持力，延长了微钻的使用寿命。
3、固结磨粒层加入纳米聚四氟乙烯微粒，能够形成一种自润滑膜，降低镀层的摩擦系数，减少镀层与孔壁摩擦磨损，延长了微钻的使用寿命。
附图说明
图1为本发明金刚石微钻工具的示意图；
图2为本发明加工方法中预镀工序的示意图；
图3为本发明加工方法中镀覆工序的示意图。
具体实施方式
一种金刚石微钻工具，该微钻工具的表面镀有磨削加工层，磨削加工层包括固结磨粒复合镀层和微米金刚石，固结磨粒复合镀层包括纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯。
优选的，微钻工具为硬质合金。
进一步的，微钻工具包括工具柄和微钻头，工具柄和微钻头组成工具基体。
微钻头优选为圆柱形磨头，或者麻花钻以及其他钻头。当微钻头为圆柱形磨头时，优选的，微钻头的直径为0.05～5mm，长度为1～10mm。
优选的，磨削加工层的厚度为5～50μm。
上述的一种金刚石微钻工具的加工方法，包括以下步骤：
1)将微钻工具依次经过碱洗、粗化、敏化、活化进行预处理；
2)将预处理后的微钻工具在含有纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液A中进行预镀；
3)将预镀后的微钻工具在含有纳米金刚石、微米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液B中进行镀覆；
4)将镀覆后的微钻工具进行热处理。
进一步的，加工方法步骤1)中，碱洗为用碱金属无机盐溶液将微钻工具除油处理；优选的，碱金属无机盐溶液的质量浓度为5～15％；进一步的，所述的碱金属无机盐为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾溶液中的至少一种。
进一步的，加工方法步骤1)中，粗化为用稀硝酸或稀硫酸溶液将碱洗后的微钻表面粗化；优选的，稀硝酸或稀硫酸溶液的质量浓度为5～35％，粗化处理的时间为15～40min。
进一步的，加工方法步骤1)中，敏化为用为氯化亚锡和盐酸混合液将粗化后的微钻表面敏化；优选的，氯化亚锡溶液的质量浓度为10～30％，盐酸溶液的体积浓度为1.5～2％，敏化处理的时间为8～10min。
进一步的，加工方法步骤1)中，活化为用次亚磷酸钠溶液对敏化后的微钻表面进行还原处理；优选的，次亚磷酸钠溶液的浓度为(30～40)g/L，活化处理时间为10～15min。
加工方法步骤2)中，复合镀液A的制备方法如下：
1)将纳米金刚石、表面活性剂、分散剂和水混合，配成金刚石悬浮液A；
2)将纳米聚四氟乙烯与分散剂溶液混合，配成纳米聚四氟乙烯乳液；
3)将金刚石悬浮液A、纳米聚四氟乙烯乳液和化学镀液混合，配成复合镀液A；
复合镀液A中，纳米金刚石的质量分数为0.1～5％，纳米聚四氟乙烯的质量分数为0.1～4％。
加工方法步骤3)中，复合镀液B的制备方法如下：
1)将纳米金刚石、微米金刚石、表面活性剂、分散剂和水混合，配成金刚石悬浮液B；
2)将纳米聚四氟乙烯与分散剂溶液混合，配成纳米聚四氟乙烯乳液；
3)将金刚石悬浮液B、纳米聚四氟乙烯乳液和化学镀液混合，配成复合镀液B；
复合镀液B中，纳米金刚石的质量分数为0.1～5％，微米金刚石的质量分数为0.5～5％，纳米聚四氟乙烯的质量分数为0.1～4％。
优选的，纳米金刚石或微米金刚石在使用前经清洗处理，清洗处理具体为先酸洗后，再清洗至中性。进一步的，酸洗所用的酸为浓硝酸或浓硫酸，浓硝酸或浓硫酸的质量浓度为50～85％，酸洗的处理时间为5～25min。
优选的，纳米金刚石的粒径为2～500nm，微米金刚石的粒径为1～15μm。
优选的，复合镀液A制备方法的步骤1)或复合镀液B制备方法的步骤1)中，超声搅拌的时间为2～10min。
优选的，复合镀液A制备方法的步骤2)或复合镀液B制备方法的步骤2)中，超声搅拌的时间为2～5min。
优选的，表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、OP-10乳化剂中的至少一种。
优选的，分散剂为聚乙二醇、六偏磷酸钠，焦磷酸钠中的至少一种。
优选的，化学镀液为Ni-P镀液、Ni-Mo-P镀液、Ni-W-P镀液的其中一种。
优选的，加工方法步骤2)中，预镀的温度为80～90℃，预镀的时间为5～30min，预镀过程中加超声搅拌或机械搅拌。
优选的，加工方法步骤3)中，镀覆的温度为80～90℃，镀覆的时间为1～3h，镀覆过程中加超声搅拌或机械搅拌。
优选的，加工方法步骤4)中，热处理的温度为400～550℃，热处理的时间为1～3h。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
附图1为本发明金刚石微钻工具的示意图，图1中1-工具柄，2-微钻头，3-固结磨粒复合镀层，4-微米金刚石颗粒，5-纳米金刚石颗粒，6-纳米聚四氟乙烯。附图1所示的工具为本发明一种优选的实现形式，本发明所述的金刚石微钻工具不仅限于此。结合图1对本发明的金刚石微钻工具作进一步说明，本发明的金刚石微钻工具包括工具基体和磨削加工层，工具基体包括工具柄(1)和微钻头(2)；所述的磨削加工层包括固结磨粒复合镀层(3)和微米金刚石颗粒(4)，固结磨粒复合镀层中含有纳米金刚石颗粒(5)和纳米聚四氟乙烯(6)。附图2为本发明加工方法中预镀工序的示意图。附图3为本发明加工方法中镀覆工序的示意图。
实施例1：
选用的微钻材质为硬质合金，微钻头形状为圆柱形，直径为0.5mm，长度为2mm。
(一)配制复合镀液
选用粒径为3-10nm的纳米金刚石微粒，粒径为5～15nm的聚四氟乙烯微粒，10μm的微米金刚石微粒，按纳米金刚石微粒质量分数为0.5％称取纳米金刚石微粒，按质量分数为0.2％称取纳米聚四氟乙烯微粒，按质量分数为50％称取微米金刚石微粒，用5％的浓硝酸溶液对金刚石微粒去除金刚石微粒表面油脂及其他杂质，然后用去离子水清洗至中性。加入OP-10乳化剂和聚乙二醇分散剂，然后加入去离子水，超声搅拌配制成金刚石悬浮液液。将纳米聚四氟乙烯加入含有六偏磷酸钠的溶液中，超声搅拌2min制成聚四氟乙烯乳液，最后将金刚石悬浮液和聚四氟乙烯乳液加入Ni-P化学镀液中配制成复合镀液。
(二)对工具进行预处理
1、将硬质合金工具表面用10％的氢氧化钠碱洗液清洗除油；
2、用浓度为10％的稀硝酸对微钻表面进行20min的粗化处理；
3、用10％氯化亚锡和15ml/L的盐酸混合液对经过粗化后的工具8min的表面敏化；
4、用30g/L的次亚磷酸钠溶液对经过敏化后的硬质合金工具表面进行10min的还原处理。
(三)预镀
将预处理后的工具放入配制好的含有纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液中进行15min预镀处理，镀覆温度为85℃，镀覆过程中加超声波搅拌。
(四)镀覆
将预镀后的微钻放入纳米和微米金刚石以及聚四氟乙烯的复合镀液中进行镀覆，镀覆时间为2h，镀覆后进行清洗；其中：镀覆温度为85℃，镀覆过程中加超声波搅拌。
(五)热处理
将镀覆后的工具进行热处理，其中热处理温度为400℃，时间为1.5h。
实施例2：
选用的微钻材质为硬质合金，微钻头形状为圆柱形，直径为1mm，长度为4mm。
(一)配制复合镀液
选用粒径为100nm的纳米金刚石微粒，粒径为50nm的聚四氟乙烯微粒，粒径为10μm的微米金刚石微粒，按质量分数为1％称取纳米金刚石微粒，按质量分数为0.5％称取纳米聚四氟乙烯微粒，按质量分数为5％称取微米金刚石微粒，用60％的浓硫酸溶液对金刚石微粒去除金刚石微粒表面油脂及其他杂质，然后用去离子水清洗至中性。加入六偏磷酸钠和十二烷基硫酸钠表面活性剂，聚乙二醇分散剂，然后加入去离子水，超声搅拌配制成金刚石悬浮液液，将纳米聚四氟乙烯加入含有六偏磷酸钠的溶液中，超声搅拌2min制成聚四氟乙烯乳液，最后将金刚石悬浮液和聚四氟乙烯乳液加入Ni-W-P化学镀液中配制成复合镀液。
(二)对工具进行预处理
1、将硬质合金工具表面用5％的氢氧化钠和15％的碳酸钠碱洗液清洗除油；
2、用浓度为15％的稀硫酸对微钻表面进行20min的粗化处理；
3、用15％氯化亚锡和20ml/L的盐酸混合液对经过粗化后的工具10min的表面敏化；
4、用34g/L的次亚磷酸钠溶液对经过敏化后的硬质合金工具表面进行15min的还原处理。
(三)预镀
将预处理后的工具放入配制好的含有纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯微粒的复合镀液中进行30min预镀处理，镀覆温度为88℃，镀覆过程中加超声波搅拌。
(四)镀覆
将预镀后的微钻放入纳米和微米金刚石以及纳米聚四氟乙烯微粒的复合镀液中进行镀覆，镀覆时间为3h，镀覆后进行清洗；其中：镀覆温度为86℃，镀覆过程中加超声波搅拌。
(五)热处理
将镀覆后的工具进行热处理，其中热处理温度为425℃，时间为2h。

Claims (10)

1.一种金刚石微钻工具，其特征在于：微钻工具的表面镀有磨削加工层，磨削加工层包括固结磨粒复合镀层和微米金刚石，固结磨粒复合镀层包括纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石微钻工具，其特征在于：微钻工具为硬质合金。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石微钻工具，其特征在于：磨削加工层的厚度为5～50μm。
4.权利要求1所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将微钻工具依次经过碱洗、粗化、敏化、活化进行预处理；
2)将预处理后的微钻工具在含有纳米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液A中进行预镀；
3)将预镀后的微钻工具在含有纳米金刚石、微米金刚石和纳米聚四氟乙烯的复合镀液B中进行镀覆；
4)将镀覆后的微钻工具进行热处理。
5.根据权利要求4所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：步骤2)中，复合镀液A的制备方法如下：
1)将纳米金刚石、表面活性剂、分散剂和水混合，配成金刚石悬浮液A；
2)将纳米聚四氟乙烯与分散剂溶液混合，配成纳米聚四氟乙烯乳液；
3)将金刚石悬浮液A、纳米聚四氟乙烯乳液和化学镀液混合，配成复合镀液A；
复合镀液A中，纳米金刚石的质量分数为0.1～5％，纳米聚四氟乙烯的质量分数为0.1～4％。
6.根据权利要求4所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：步骤3)中，复合镀液B的制备方法如下：
1)将纳米金刚石、微米金刚石、表面活性剂、分散剂和水混合，配成金刚石悬浮液B；
2)将纳米聚四氟乙烯与分散剂溶液混合，配成纳米聚四氟乙烯乳液；
3)将金刚石悬浮液B、纳米聚四氟乙烯乳液和化学镀液混合，配成复合镀液B；
复合镀液B中，纳米金刚石的质量分数为0.1～5％，微米金刚石的质量分数为0.5～5％，纳米聚四氟乙烯的质量分数为0.1～4％。
7.根据权利要求5或6所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、OP-10乳化剂中的至少一种；
分散剂为聚乙二醇、六偏磷酸钠，焦磷酸钠中的至少一种；化学镀液为Ni-P镀液、Ni-Mo-P镀液、Ni-W-P镀液的其中一种。
8.根据权利要求4所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：步骤2)中，预镀的温度为80～90℃，预镀的时间为5～30min。
9.根据权利要求4所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：步骤3)中，镀覆的温度为80～90℃，镀覆的时间为1～3h。
10.根据权利要求4所述的一种金刚石微钻工具的加工方法，其特征在于：步骤4)中，热处理的温度为400～550℃，热处理的时间为1～3h。
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