電鍍金剛石線鋸的快速制備 及其性能研究

發(fā)布時間：2018-09-18 17:33

隨著硬脆材料，特別是貴重硬脆晶體材料，如硅晶體、藍寶石、鍺等應用的日益廣泛，切片技術(shù)作為硬脆材料加工的前段工藝，對其加工質(zhì)量和效率的要求不斷提高。固結(jié)磨料金剛石線鋸是最有前景的硬脆材料切割技術(shù)之一。本文在設(shè)計電刷鍍金剛石線鋸制備裝置的基礎(chǔ)上，對金剛石線鋸的制備工藝進行了研究，得出一組優(yōu)化參數(shù)，并對此參數(shù)下制得的線鋸性能進行了評價，主要研究內(nèi)容如下： （1）根據(jù)使用條件，合理地選擇實驗材料，并針對材料狀況安排相應的前處理工藝。線鋸基體選用直徑 0.21 mm 的鍍鎳琴鋼絲，磨粒選用平均粒徑 20 μm 的鍍鎳金剛石，陽極選用純度99.9%的含硫鎳板，采用以氨基磺酸鎳為主鹽的鍍液。 （2）設(shè)計制造出一種能提高復合鍍金剛石線鋸生產(chǎn)速率的實驗設(shè)備，其特征是采用水平并列放置的圓柱形刷鍍輪，線鋸走絲方向與刷鍍輪軸線方向平行，在刷鍍區(qū)域內(nèi)金屬線與刷鍍輪間為沿軸向方向的線接觸，使接觸面積得到提高，從而可提高金屬線的走絲速度，提高線鋸的生產(chǎn)速率。 （3）通過研究裝置參數(shù)對鍍層質(zhì)量的影響確定裝置的刷鍍方式。在裝置刷鍍方式確定的基礎(chǔ)上，研究了鍍液參數(shù)對鍍層質(zhì)量的影響和電鍍參數(shù)對金剛石上砂量的影響規(guī)律，并得到一組較優(yōu)的工藝參數(shù)。求出該組參數(shù)下的電流效率，對走絲速度進行修正，以保證鍍層厚度。 （4）對制得的金剛石線鋸性能進行評價，包括線鋸表面鍍層質(zhì)量檢測、機械力學性能測試和線鋸切割加工性能測試。經(jīng)檢測線鋸表面上砂均勻，線徑一致性較好，切割加工切縫整齊。
基體材料的選擇應能滿足其電鍍工藝和實際使用的要求，主要基于材料的電化學性質(zhì)和機械性能。在電化學性質(zhì)上，基體材料應具有便于電鍍的特點，即鍍層金屬易于在基體表面沉積且與基體有較好的結(jié)合力，因此鍍層金屬的電極電位應高于基體的電極電位，同時基體便于前處理。在機械性能上，線鋸在使用過程中，需承受張緊輪的張緊力、導向輪的彎曲、被加工工件的反作用力等，實際使用中的受力情況決定了材料的機械性能應具有較好的抗拉強度和彎曲強度等。至于基體的長度和直徑，應由加工方式、所用設(shè)備和被加工材料三個因素共同決定。為提高材料的出材率、降低切縫損失、提高基體的柔韌性，通常要求基體直徑越小越好。但是，基體直徑的減小，必然會造成其機械性能的下降，增加斷絲風險，同時，降低了基體的表面積，相同粒徑的金剛石磨粒附著難度增加。因此在確定基體直徑時，應在滿足機械性能的前提下再選擇較小的直徑，同時，滿足基體的線徑均勻性、圓柱度等要求。
電鍍中陽極材料分為可溶性陽極和不溶性陽極兩類。不溶性陽極包括石墨、鉑-銥合金、鍍鉑的鈦質(zhì)合金或鍍鉑的不銹鋼陽極等，在電鍍中起構(gòu)成電鍍回路和控制陰極表面電流分布的作用。可溶性陽極一般選用與鍍層金屬相同的金屬，在電鍍中除起不溶性陽極作用外，還可補充鍍液中消耗的陽離子。為保證實驗的可持續(xù)進行，本文陽極材料選擇可溶性陽極。根據(jù)固結(jié)磨料金剛石線鋸的使用要求，實驗中選用耐磨性較好的鎳層作為線鋸的金屬鍍層，因而，陽極材料選用鎳板。
復合鍍層由磨粒和鍍層金屬兩部分構(gòu)成，兼具各組成的優(yōu)點。鍍層金屬的選擇應滿足復合鍍層的使用要求。固結(jié)磨料金剛石線鋸作為一種切割工具，對耐磨性有較高的要求。鎳基復合鍍層作為一種耐磨性鍍層，發(fā)展較早，應用較多，同時具有硬度高（HV 240~HV 500）、化學性質(zhì)穩(wěn)定的特性，因此選用鎳作為線鋸的鍍層金屬[49]。鍍鎳電刷鍍液種類豐富，根據(jù)鍍液主鹽成分的不同，主要分為瓦特型、氯化物型、氨基磺酸型等幾種。其中，瓦特型鍍液是目前應用最多的一種鍍液，具有成本低、成分簡單、化學性質(zhì)穩(wěn)定并且制備的鍍層內(nèi)應力和脆性較小的優(yōu)點，但是采用該電鍍液制備線鋸，存在生產(chǎn)周期過長的問題。考慮到本文研究的目的是提高線鋸的制絲速率，所以不宜采用瓦特型鍍液。氯化物型鍍液具有優(yōu)良的導電性，允許使用的電流密度最大即電鍍速度最快，但是采用氯化物型鍍液制得的鍍層，內(nèi)應力大和延展性較差，在使用過程中易于彎曲脫落，不能滿足線鋸的使用要求。
通過研究裝置參數(shù)對鍍層質(zhì)量的影響確定裝置的刷鍍方式，參數(shù)包括刷鍍陽極轉(zhuǎn)向、刷擦力及毛氈轉(zhuǎn)速，當裝置刷鍍方式為刷鍍輪轉(zhuǎn)向同下，基體所在位置為+5，毛氈轉(zhuǎn)速范圍在 200rpm以內(nèi)時，獲得的鍍層質(zhì)量良好。在裝置刷鍍方式確定的基礎(chǔ)上，研究了鍍液參數(shù)對鍍層質(zhì)量的影響。在選定水平范圍內(nèi)，許用電流密度隨主鹽濃度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，但增速逐漸變緩；隨鍍液溫度的升高而增加，增速先升后降。確定鍍液參數(shù)后，通過單因素實驗及正交實驗研究了電鍍參數(shù)對金剛石上砂量的影響規(guī)律。當鍍層厚度為 14  μm 時，線鋸表面磨粒分布性較好且線徑尺寸較為理想；攪拌子轉(zhuǎn)速越快，磨粒懸浮狀態(tài)越好，上砂量越大；上砂量與金剛石含量幾乎成正比，當濃度超過 20 g/L 時，鍍層表面出現(xiàn)磨粒堆積；線鋸表面上砂量隨毛氈轉(zhuǎn)速的增加而增加；在鍍層厚度一定的情況下，隨電流密度的增加，線鋸表面金剛石上砂量逐漸增加，且電流密度較大時線鋸表面磨粒分布更加均勻。對金剛石上砂量影響的因素主次順序依次為金剛石含量、電流密度、毛氈轉(zhuǎn)速。確定最佳參數(shù)后，為保證鍍層厚度，求出最佳參數(shù)下電流效率為 92.1%，進而將走絲速度修正為188.7 mm/min。