电沉积纳米镍-钴合金制备金刚石工具

电沉积纳⽶镍-钴合⾦制备⾦刚⽯⼯具
电沉积纳⽶镍2钴合⾦制备⾦刚⽯⼯具
Preparat ion of Dia mond Tool s w it h N anocr ystall ine Ni 2Co Alloy E lectrodeposit
李云东,　王淮东,　李⽴波,　卢汇洋
(河南农业⼤学机电⼯程学院,河南郑州450002)L I Yun 2dong,　WANG H ua i 2dong ,　L I L i 2bo ,　L U H ui 2yang (Mechanical and Elect rical Engineering C ollege ,Henan Agricultural Uni versity ,Zhengzhou 450002,Chi na )
摘要:　介绍了采⽤纳⽶镍2钴镀层作为新型胎体材料,制备电镀⾦刚⽯⼯具的⽅法及其特点。

纳⽶镀层是在⽡特型槽液中通过⽅波电流⽽得到的,脉冲参数为电流导通时间1ms ,电流关断时间15ms ,峰值电流密度100A/dm 2。

镀层中钴的质量分数量为8.5%,表⾯较光整,晶粒尺⼨在15nm 左右,显微硬度达到6000M Pa ,与纯镍纳⽶镀层的相近,但抗拉强度明显⾼于纯镍纳⽶镀层的。

由其制得的⼯具平均寿命⽐纯镍纳⽶胎体材料⼯具⾼15.5%。

关键词:　镍2钴合⾦;纳⽶镀层;⾦刚⽯⼯具;胎体材料
A bstract :　The p rocess for preparing electrodeposited diamo nd tools by using na nocr ystalline Ni 2Co alloy deposit a s a new mat rix material and the f eature s are pr ese nted.The nanocrystalline Ni 2Co depo sit is obtained f rom a solution containing saccha rin and cobalt by squa re 2wave p ulse curre nt.The pulse parameter s ar e :curre nt “on ”time 1ms ,“off
”time 15ms ,and peak c ur rent de nsity 100A/dm 2.The deposit co ntains the mass f raction of 8.5%of cobalt ,with a smoot her surf ace ,and its grain size i s a bout 15nm ,micro 2ha rdness 6000M Pa ,close to that of na noc rystalline p ure nickel deposit ,but muc h higher than t he latter in tensile str ength.The diamo nd tools prepa red with t his depo sit exhibit 15.5%longe r ser vice life than their nanocrystalline pure nickel co unterpart s.
K ey w or ds :　nickel 2co balt alloy ;na noc rystalline electrodeposit ;diamond tool s;mat rix material
中图分类号:TQ 153 ⽂献标识码:A ⽂章编号:100024742(2008)0620015203
基⾦项⽬河南省⾃然科学基⾦(N 53)以及河南省⾼校青年⾻⼲教师项⽬资助
0　前⾔
⾦刚⽯⼯具的胎体材料不但要有较⾼的硬度和耐磨性,还要有较⾼的韧性以适应操作中较⼤的机
械撞击[124]。

较常⽤的是镍2钴胎体材料,它的硬度随其钴的质量分数升⾼⽽明显提⾼,并且保留⼀定的韧性,但其硬度仍不能使⼈满意[429]。

对于新开发的胎体材料,如镍2钴2⾦刚⽯、镍2钴2稀⼟及镍2钴2锰等三元胎体材料虽然具有较理想的硬度或韧性,但由于其电解液成分和镀层成分较难控制,因此,较难应⽤到⼯业⽣产中[123,8]。

与其对应的多晶材料相⽐,纳⽶晶镍和镍基合⾦的许多性能有较⼤幅度的改善,包括硬度、强度、耐磨性、摩擦系数、耐蚀性等。

电沉积法制备纳⽶晶体材料已被证实是⼀项可⾏的,也是较为经济的技术[10214],因此,我们采⽤纳⽶镀层制备电镀⾦刚⽯⼯具[10]。

但存在的问题是该纯镍纳⽶镀层在制备时采⽤了较为极端的⼿段,如极⾼的阴极电流密度及较⾼的糖精⽤量。

它们都对镀层的脆性有很⼤影
响,使胎体材料的⾼耐磨性得不到充分发挥。

通过实验证实,在纯镍纳⽶镀液中添加适量的钴,可以明显降低糖精⽤量,降低镀层中硫、碳杂质量,从⽽提⾼⼯具的使⽤性能。

现介绍开发出的纳⽶镍2钴合⾦镀层的性能,并以该镀层为胎体材料制
备⾦刚⽯⼯具。

1　实验
1.1　实验样品制备
⽤含有硫酸镍、硼酸、糖精、⼗⼆烷基硫酸钠、氯化镍、硫酸钴的溶液,制备不含⾦刚⽯颗粒的样品。

1.2　镀液成分及⼯艺条件
电解液的成分与⼯艺条件列于表1[10]。

试验及试样镀前处理,参见⽂献[15]。

1.3　测试⽅法
试样的显微组织结构及显微硬度的测量⽅法均参见⽂献[15]。

拉伸试样则是将镀层剥离后,再经线切割⽽成,其尺⼨为50m m
×7mm 。

抗拉测试在材料实验机(R )上进⾏,负荷控制在
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电镀与环保　第28卷第6期(总第164期) :o.04110100eg 2000
表1　镀液成分及⼯艺条件
Ni[10]Ni2Co NiSO47H2O300g/L300g/L
NiCl26H2O40g/L40g/L
H3BO340g/L40g/L CoSO47H2O06～10g/L
糖精5g/L3g/L ⼗⼆烷基硫酸钠0.05g/L0.05g/L
θ(60±1)℃(60±1)℃
p H值 3.0±0.1 3.0±0.1
T on2ms1ms
T o ff45m s15ms
J p188A/dm2100A/dm2
J m8.0A/dm2 6.25A/dm2
0.2MPa/s,直⾄达到断裂极限。

负荷与伸长量信号储存在I BM计算机上,通过负荷/形变曲线计算得到抗拉强度。

由于机器的灵敏度低,且镀层较脆,未能测到延伸率。

2　结果与讨论
2.1　纳⽶镍2钴合⾦镀层的成分
纳⽶镍2钴合⾦镀层中钴的质量分数为8.5%,⽐常规的镍2钴合⾦镀层要少很多。

通过直流电镀的⽅法从相近钴含量的镀液中得到的镍2钴合⾦层中钴的质量分数为20%～30%。

纳⽶镀层中钴的质量分数较低的原因之⼀可能是由于脉冲电镀采⽤了相当⾼的瞬时电流密度,⽽且镀液中使⽤了较⾼质量浓度的糖精。

在常规电镀中,糖精⼀般为0～1 g/L,电流密度为1～5A/dm2;⽽纳⽶电镀中糖精为3g/L,瞬时电流密度为100A/dm2。

乔桂英[13]报导阴极电流密度的增加能够引起纳⽶镍2钴合⾦镀层中钴的质量分数降低;镀液中糖精的加⼊会导致镀层中钴的质量分数降低。

2.2　纳⽶镍2钴合⾦镀层显微组织结构
(1)纳⽶镍2钴合⾦镀层具有菜花胞状表⾯形貌,也就是说它是由许多尺⼨不⼀的宏观晶簇组成,每⼀晶簇内⼜由⼏个⼩⼀些的晶簇组成,这种现象在更微观的情况下同样存在[15]。

()通过对镀层样品的X射线衍射分析可知,镀层的晶粒尺⼨约为5。

这种晶粒细化的效果来⾃于⾼的瞬时电流密度,以及有机晶粒细化剂糖精和⽆机晶粒细化剂钴的加⼊[14215]。

2.3　纳⽶镍2钴合⾦镀层显微硬度及抗拉强度
镍2钴合⾦镀层硬度为6000MPa,⽐常规的镍2钴合⾦镀层400～500M Pa⾼很多。

这是由于晶粒细化的效果。

另外,纳⽶镍2钴合⾦镀层与我们以前制备的纯镍纳⽶镀层相⽐,硬度差别不⼤。

这可能是由于纳⽶材料中,细晶强化效果起主导作⽤,⽽固溶强化效果不再像在多晶材料中那样重要[15]。

纳⽶合⾦镀层的抗拉强度为1200MPa,与我们以前制备的纯镍纳⽶镀层的1000MPa相⽐⾼出很多。

这是由于钴的加⼊降低了糖精的⽤量,减少了镀层中硫和碳杂质的量,从⽽提⾼了镀层的韧性[10212]。

3　新型胎体材料⾦刚⽯⼯具的制备及性能
3.1　制备
(1)为了考察新型胎体材料的效果,制备了4个以纳⽶镍2钴镀层为胎体的⾦刚⽯磨削样品。

采⽤的镀液成分及⼯艺条件与表1中列出的相同。

采⽤的⾦刚⽯颗粒为100～150µm,经过在硝酸与硫酸混合酸中浸泡8h后,冲洗数次,置于蒸馏⽔中备⽤。

镀槽采⽤PVC塑料焊制⽽成,电镀时置于⽔浴锅中,恒温在60°C左右。

(2)4个磨削样品的基体为1mm厚的低碳钢钢环,尺⼨为内径12mm,外径18mm。

表⾯⽤砂纸磨光后,⽤窄铜箔将4个样品连成⼀线,并黏附于塑料板上,作为单⼀阴极,待镀总⾯积为0.06dm2,铜箔⽤绝缘胶带绝缘。

脉冲电流为375mA,即平均电流密度为
6.25A/dm2,峰值电流密度为100 A/dm2。

(3)制作过程经过3个步骤:
①预镀　将经过严格清洁处理的阴极放⼊镀槽中,脉冲电镀10min。

可避免⾦刚⽯颗粒与钢体的直接接触,因为这些接触减少了镍镀层与钢体的接触⾯⽽产⽣不理想的镀层结合⼒。

②植砂镀　将阴极倾斜放置(约30°),其底端悬浮在溶液中。

放置好后,⼩⼼均匀地把拌有⽔的⾦刚⽯颗粒薄薄地撒在阴极表⾯。

经⼀定时间的电沉积,可以使⾦刚⽯颗粒牢牢黏附在阴极上。

③植砂后镀　阴极重新垂直放置,使已经被粘附到阴极的颗粒不⾄脱落,没有黏附的颗粒则脱落。

调整电流为5,5后取出。

考虑到⾦刚⽯颗粒植⼊后待镀⾯积的减少,沉积镍的实际电流密度仍保持在⼤约。

在颗粒植⼊
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1　N ov.2008 Electropla t ing&Pollut ion Contr ol V o l.28N o.6
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1nm
J p0A/dm2 1.h
J p100A/dm2
后连续沉积,保证了⾦刚⽯颗粒牢固地嵌⼊新形成的胎体结构中,制成的样品⽤蒸馏⽔清洗后⼲燥。

为了对照新⼯具的性能,我们还制备出了4个尺⼨相同、以纯镍纳⽶镀层为胎体的磨削样品。

制
备的⽅法及程序都相同,不同之处在于电镀液成分和电镀脉冲参数。

3.2　性能
对⽐性磨削试验是在相同条件下进⾏的。

样品制备后从塑料板上剥下,然后分别黏附于⼀个钻头形的钢基上。

实验中将该钻头装在钻床上,在恒定的压⼒下钻磨30mm 厚的天然花岗岩⽯板,通⽔冷却,⼀直进⾏到⼯具被磨损再⽆法使⽤。

每个样品的总共钻进深度被视为其使⽤寿命。

试验结果表明:4个以镍2钴镀层为胎体的样品,平均寿命为341mm ,⽐纯镍胎体样品的295mm ,⾼15.5%。

新⼯具的良好表现应当来⾃于新胎体对⾦刚⽯颗粒的较强把持⼒。

与纯镍纳⽶镀层相⽐,纳⽶镍2钴合⾦镀层虽然硬度相近,但由于减少了糖精的⽤量,镀层韧性提⾼,抗拉强度提⾼,耐磨性提⾼。

另外,⾦刚⽯颗粒与镍2钴镀层间的良好结合⼒,可能也有助于提⾼新胎体对⾦刚⽯颗粒的把持⼒。

王⽴平报导[17]⾦刚⽯复合镀液中加⼊钴离⼦可以有效改进基体与⾦刚⽯颗粒的结合⼒。

原因是钴离⼦⽐镍离⼦更容易吸附在⾦刚⽯颗粒表⾯,⽽且钴⽐镍与⾦刚⽯的湿润能⼒更强。

4　结论
采⽤纳⽶镍2钴合⾦镀层为胎体材料,可以制备
性能良好的电镀⾦刚⽯⼯具。

磨削实验表明:与纯镍纳⽶镀层为胎体的⼯具相⽐,新胎体⼯具使⽤寿命可以延长15.5%。

这可能是由于新胎体材料具有较⾼的韧性、抗拉强度及耐磨性,以及其与⾦刚⽯颗粒表⾯的良好湿润性,从⽽改进了胎体材料对⾦刚⽯颗粒的镶嵌能⼒。

参考⽂献:
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收稿⽇期:2008205227
信　息
化学镀纯钯
⼀种化学镀纯钯液可以形成钝钯镀层,并且镀层的均匀性⾮常好。

溶液的特点是含有(1)0.001～0.50
mol/L 的⽔溶性钯化合物;(2)⾄少含有0.005～10mol/L 两种选⾃脂肪羧酸和其⽔溶性盐;(3)0.005～L 的磷酸或磷酸盐;()5～L 的
硫酸或硫酸盐。

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电镀与环保　第28卷第6期(总第164期) 10mol/40.0010mol/。