电镀金刚石线锯的快速制备 及其性能研究

发布时间：2018-09-18 17:33

随着硬脆材料，特别是贵重硬脆晶体材料，如硅晶体、蓝宝石、锗等应用的日益广泛，切片技术作为硬脆材料加工的前段工艺，对其加工质量和效率的要求不断提高。固结磨料金刚石线锯是最有前景的硬脆材料切割技术之一。本文在设计电刷镀金刚石线锯制备装置的基础上，对金刚石线锯的制备工艺进行了研究，得出一组优化参数，并对此参数下制得的线锯性能进行了评价，主要研究内容如下： （1）根据使用条件，合理地选择实验材料，并针对材料状况安排相应的前处理工艺。线锯基体选用直径 0.21 mm 的镀镍琴钢丝，磨粒选用平均粒径 20 μm 的镀镍金刚石，阳极选用纯度99.9%的含硫镍板，采用以氨基磺酸镍为主盐的镀液。 （2）设计制造出一种能提高复合镀金刚石线锯生产速率的实验设备，其特征是采用水平并列放置的圆柱形刷镀轮，线锯走丝方向与刷镀轮轴线方向平行，在刷镀区域内金属线与刷镀轮间为沿轴向方向的线接触，使接触面积得到提高，从而可提高金属线的走丝速度，提高线锯的生产速率。 （3）通过研究装置参数对镀层质量的影响确定装置的刷镀方式。在装置刷镀方式确定的基础上，研究了镀液参数对镀层质量的影响和电镀参数对金刚石上砂量的影响规律，并得到一组较优的工艺参数。求出该组参数下的电流效率，对走丝速度进行修正，以保证镀层厚度。 （4）对制得的金刚石线锯性能进行评价，包括线锯表面镀层质量检测、机械力学性能测试和线锯切割加工性能测试。经检测线锯表面上砂均匀，线径一致性较好，切割加工切缝整齐。
基体材料的选择应能满足其电镀工艺和实际使用的要求，主要基于材料的电化学性质和机械性能。在电化学性质上，基体材料应具有便于电镀的特点，即镀层金属易于在基体表面沉积且与基体有较好的结合力，因此镀层金属的电极电位应高于基体的电极电位，同时基体便于前处理。在机械性能上，线锯在使用过程中，需承受张紧轮的张紧力、导向轮的弯曲、被加工工件的反作用力等，实际使用中的受力情况决定了材料的机械性能应具有较好的抗拉强度和弯曲强度等。至于基体的长度和直径，应由加工方式、所用设备和被加工材料三个因素共同决定。为提高材料的出材率、降低切缝损失、提高基体的柔韧性，通常要求基体直径越小越好。但是，基体直径的减小，必然会造成其机械性能的下降，增加断丝风险，同时，降低了基体的表面积，相同粒径的金刚石磨粒附着难度增加。因此在确定基体直径时，应在满足机械性能的前提下再选择较小的直径，同时，满足基体的线径均匀性、圆柱度等要求。
电镀中阳极材料分为可溶性阳极和不溶性阳极两类。不溶性阳极包括石墨、铂-铱合金、镀铂的钛质合金或镀铂的不锈钢阳极等，在电镀中起构成电镀回路和控制阴极表面电流分布的作用。可溶性阳极一般选用与镀层金属相同的金属，在电镀中除起不溶性阳极作用外，还可补充镀液中消耗的阳离子。为保证实验的可持续进行，本文阳极材料选择可溶性阳极。根据固结磨料金刚石线锯的使用要求，实验中选用耐磨性较好的镍层作为线锯的金属镀层，因而，阳极材料选用镍板。
复合镀层由磨粒和镀层金属两部分构成，兼具各组成的优点。镀层金属的选择应满足复合镀层的使用要求。固结磨料金刚石线锯作为一种切割工具，对耐磨性有较高的要求。镍基复合镀层作为一种耐磨性镀层，发展较早，应用较多，同时具有硬度高（HV 240~HV 500）、化学性质稳定的特性，因此选用镍作为线锯的镀层金属[49]。镀镍电刷镀液种类丰富，根据镀液主盐成分的不同，主要分为瓦特型、氯化物型、氨基磺酸型等几种。其中，瓦特型镀液是目前应用最多的一种镀液，具有成本低、成分简单、化学性质稳定并且制备的镀层内应力和脆性较小的优点，但是采用该电镀液制备线锯，存在生产周期过长的问题。考虑到本文研究的目的是提高线锯的制丝速率，所以不宜采用瓦特型镀液。氯化物型镀液具有优良的导电性，允许使用的电流密度最大即电镀速度最快，但是采用氯化物型镀液制得的镀层，内应力大和延展性较差，在使用过程中易于弯曲脱落，不能满足线锯的使用要求。
通过研究装置参数对镀层质量的影响确定装置的刷镀方式，参数包括刷镀阳极转向、刷擦力及毛毡转速，当装置刷镀方式为刷镀轮转向同下，基体所在位置为+5，毛毡转速范围在 200rpm以内时，获得的镀层质量良好。在装置刷镀方式确定的基础上，研究了镀液参数对镀层质量的影响。在选定水平范围内，许用电流密度随主盐浓度的增加呈现增加的趋势，但增速逐渐变缓；随镀液温度的升高而增加，增速先升后降。确定镀液参数后，通过单因素实验及正交实验研究了电镀参数对金刚石上砂量的影响规律。当镀层厚度为 14  μm 时，线锯表面磨粒分布性较好且线径尺寸较为理想；搅拌子转速越快，磨粒悬浮状态越好，上砂量越大；上砂量与金刚石含量几乎成正比，当浓度超过 20 g/L 时，镀层表面出现磨粒堆积；线锯表面上砂量随毛毡转速的增加而增加；在镀层厚度一定的情况下，随电流密度的增加，线锯表面金刚石上砂量逐渐增加，且电流密度较大时线锯表面磨粒分布更加均匀。对金刚石上砂量影响的因素主次顺序依次为金刚石含量、电流密度、毛毡转速。确定最佳参数后，为保证镀层厚度，求出最佳参数下电流效率为 92.1%，进而将走丝速度修正为188.7 mm/min。