金刚石线锯制造工艺研究

电镀金刚石线锯的制造工艺研究

高伟,窦百香,李艳红,刘伟

青岛科技大学

摘要:利用复合电镀法,以直径 0 3mm的琴钢丝为基体,选取400#的金刚石作为磨料,选用瓦特型镀液,采用埋砂法制造金刚石线锯。利用显微镜测试了镀层厚度,利用体视显微镜观察了线锯形貌。结果表明,上砂电流密度在2 0A/dm2,上砂时间20min时能够获得金刚石磨粒分布均匀、与基体结合力好的金刚石线锯;给出了本实验条件下制造电镀金刚石线锯的最佳电镀工艺参数。

关键词:电镀;金刚石线锯;制造工艺

中图分类号:TG717 文献标志码:A

Study on Manufacturing Process of Electroplated Diamond wire Saw

Gao Wei,Dou Baixiang,Li Yanhong,Liu Wei

Abstract:A composite electroplating process was used to electroplated diamond wire saw.Piano wire was chosen as the plat ed core of the electroplated diamond wire and the diamond size was400#.Putting the wire into diamond abrasi ves and Watt type solution were used to manufacturing the diamond wire saw.The coating thickness and morphology of the diamond were analyzed by microscope and stereomicroscope.The results show that the current density of the Ni diamond composite electroplating in the range of2.0A/dm2and the time of the Ni diamond composi te electroplating was20min,diamond abrasives will be distributed well and the coating had better adhesion to the substrate.The op timum process parameters of manufacturing the diamond wire saw were con firmed.

Keywords:electroplated;diamond wire saw;manufacturing process

1 引言

随着硬脆材料应用的日益广泛,对其加工要求也越来越高,特别是对单晶硅、宝石等贵重硬脆材料的精密切割加工要求越来越高。然而,我国的硬脆材料高效精密切割加工还处在发展阶段,加工效率较低,材料浪费严重。目前,在硅晶体等硬脆材料的切割中主要采用游离磨料线锯切割技术,即边切割边向钢丝送带有磨料的浆液(金刚石或碳化硅浆液)。但是游离磨料线锯切割技术具有明显的缺点:切割效率低,锯口损耗大,表面粗糙度和面型精度难以控制,浆液回收困难,工作环境恶劣等等[1]。

为解决上述问题,固结磨料线锯的研究越来越受到国内外研究者的关注,特别是电镀金刚石线锯和树脂结合剂线锯的研究[1-3],但树脂结合剂线锯的耐磨性和耐热性不如电镀金刚石线锯好。金刚石线锯是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀的方式牢固地把持在钢丝基体上而制成的一种切割工具。此外,电镀金刚石线锯具有切割效率高、锯切力小、锯缝整齐、切面光整、出材率高、噪音低,对环境污染小等优点,不仅适用于加工石材、玻璃等普通硬脆材料,而且特别适合锯切陶瓷、宝石、水晶等贵重的硬脆材料[4]。本文利用复合电镀法研究了电镀金刚石线锯的制造工艺,并给出了制造电镀金刚石线锯的最佳工艺参数。

2 锯丝的制备

锯丝基体采用强度高、柔韧性好的直径 0 3钢琴丝,金刚石采用英国De Beers公司提供的400#的天然金刚石磨料。本实验制造的电镀金刚石锯丝长度为300mm。电镀金刚石锯丝的制备工艺流程如图1所示。

图1 电镀金刚石锯丝制备工艺流程图

2.1 前处理

实验前要对基体进行前处理。前处理的目的是去掉锯丝基体上的油污和氧化层,提高基体和镀层间的结合力。电镀金刚石线锯的前处理工序与普通电镀的前处理工序基本相同。前处理的主要工序如图2所示。

图2 前处理的主要工序

先用400#的砂纸将基体表面较厚的氧化皮磨

收稿日期:2008年11月

掉;再用金属清洗剂配制的碱液煮沸30min,除去基体表面的油污;然后将冲洗干净的钢丝放到10%的盐酸溶液浸蚀5min,除去基体上残留的氧化皮和锈;最后用去离子水清洗干净。

磨料选择400#的金刚石,磨粒直径为38 m。金刚石在使用之前要经过磁选处理,金刚石由于有磁性包裹体的存在,在电镀中容易引起镍瘤,因此在电镀前应用磁铁将磁感应较大的金刚石除去。水对金刚石的浸润性较差,由于界面张力的作用,使金刚石在镀液中漂浮,影响上砂,所以在上砂前要对金刚石使进行碱洗和酸洗,以提高金刚石的亲水性,还能除去金刚石表面的杂质。本实验采用的处理方法为:将金刚石磨料放入NaOH溶液中煮沸10min,除去金刚石表面的油污;再放入浓HNO3溶液中浸泡24小时,去除表面杂质,同时使金刚石表面变得粗糙,达到亲水目的;最后用去离子冲洗后用镀液浸泡以备使用。

2.2 镀液的成分及电镀设备

实验选用瓦特型镀液进行电镀金刚石线锯,具体的镀液组成见表1。

表1 镀液组成

名称硫酸镍硼酸氯化镍十二烷基硫酸钠1.4丁炔二醇

浓度(g/L)25035300.1 1.0

实验在自制的电镀设备上进行,电镀电源采用HY1711型直流电源,电压和电流分别可在0-30V 和0-1 2A的范围内连续可调。为提高电流调整的精确度,串联一个0-500mA的电流表。电镀时采用水浴加热,电镀槽用4mm厚的硬PVC板制成,电镀槽尺寸为400mm 150mm 200m m。砂槽使用1mm厚的硬聚氯乙烯板,用树脂胶粘结而成,要求越小越好,但又必须保证基体在砂槽中放置时与砂槽内壁保持2-3mm左右。砂槽尺寸为300mm 30mm 35mm。砂槽个表面尽可能多的钻上直径为3mm的小孔,打磨平后将400#尼龙网用胶粘在砂槽内壁。采用四条稳固的PVC脚腿支起砂槽,使其不与电镀槽底直接接触,以增加透气性。镀液温度为35 ,镀液温度由TDA系列温度显示调节仪控制。镀液的PH值为4.5。

2.3 预镀

锯丝基体经过前处理后可以进行预镀镍,预镀的目的是为了在基体与金刚石之间增加一个过镀层,增加镀层与基体的结合力。镀层与基体的结合力是影响工具寿命的重要因素,镀层结合力大小与预镀电流密度的大小有密切关系。实验1为预镀电流密度对锯丝镀层结合力的影响。实验采用的预镀时间为30min,电流密度分别为0.5A/dm2、1A/dm2、1.5A/dm2、2A/dm2,然后将锯丝缠绕在直径为20mm 的圆柱上观察镀层的裂纹与剥离现象,来评价镀层与基体的结合力。通过实验1确定了最佳预镀电流密度。

实验2为镀层厚度与时间的关系。实验采用的电流密度为1.5A/dm2,预镀时间分别为10min、20min、30min、40min、50min,通过实验2得出了镀层厚度与时间的关系曲线,从而确定了预镀时间。

2.4 上砂

经过预镀之后就可以进行上砂了,上砂是把刚石磨粒电镀到预镀的镍镀层上,是电镀金刚石线锯制作中最关键的一步。上砂一般分为埋砂法和落砂法。埋砂法是将锯丝基体埋入砂槽中,轻轻晃动砂槽使金刚石磨料与锯丝基体紧密接触,确保上砂均匀。落砂法是采用搅拌的方法使金刚石磨料悬浮在镀液中对锯丝基体进行上砂的方法。由于不锈钢丝基体为圆柱形,落砂法很难保证在钢丝表面均匀地沉积金刚石磨料,所以实验采用埋砂法。

影响金刚石密度的因素有上砂电流密度及上砂时间。当上砂时间为20min时,改变阴极电流密度,研究阴极电流密度对锯丝表面金刚石磨料密度影响。上砂电流密度分别为0.5A/dm2、1 0A/dm2、1 5A/dm2、2 0A/dm2、2 5A/dm2,通过实验确定了金刚石磨料分布均匀的最佳上砂电流密度。当上砂电流密度为2 0A/dm2时,通过改变上砂时间得出金刚石磨料分布均匀的最佳上砂时间,实验采用的上砂时间分别为20min、30min、40min、50min。

2.5 加厚

上砂后,便可进行加厚。加厚就是随着电镀时间的加长,使镀层沉积到一定的厚度。理想的厚度是将金刚石粒径的2/3埋在镀层里。在1 5A/dm2的电流密度下,按时间公式计算出理论加厚时间为

t=

1000

D k k K

[6]

式中 t 电镀时间(h)

镀层厚度(对于电镀金刚石来说厚度

取金刚石颗粒的平均粒径mm)

金属比重(对于镀镍取8.8g/c m3)

D k 电流密度(一般取1.5A/dm2)

电流效率(镀镍时取95%)

K 电化当量(镍的电化当量为1.095)

计算结果为2h,通过实验得出,当加厚时间为1 2h时,得到的镀层厚度能将金刚石粒径的2/3埋在镀层里。理论加厚时间和实际加厚时间差别很大,其原因是金刚石的存在占了总体积的50%左