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(lán)寶石、鍺等應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)材料，并針對材料狀況安排相應(yīng)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(fù)合鍍金剛石線鋸生產(chǎn)速率的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行修正，以保證鍍層厚度。 （4）對制得的金剛石線鋸性能進(jìn)行評價，包括線鋸表面鍍層質(zhì)量檢測、機(jī)械力學(xué)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(yīng)能滿足其電鍍工藝和實(shí)際使用的要求，主要基于材料的電化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能。在電化學(xué)性質(zhì)上，基體材料應(yīng)具有便于電鍍的特點(diǎn)，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(yīng)高于基體的電極電位，同時基體便于前處理。在機(jī)械性能上，線鋸在使用過程中，需承受張緊輪的張緊力、導(dǎo)向輪的彎曲、被加工工件的反作用力等，實(shí)際使用中的受力情況決定了材料的機(jī)械性能應(yīng)具有較好的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等。至于基體的長度和直徑，應(yīng)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(jī)械性能的下降，增加斷絲風(fēng)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(yīng)在滿足機(jī)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?？扇苄躁枠O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(bǔ)充鍍液中消耗的陽離子。為保證實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(fù)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(diǎn)。鍍層金屬的選擇應(yīng)滿足復(fù)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(fù)合鍍層作為一種耐磨性鍍層，發(fā)展較早，應(yīng)用較多，同時具有硬度高（HV 240~HV 500）、化學(xué)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(yīng)用最多的一種鍍液，具有成本低、成分簡單、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且制備的鍍層內(nèi)應(yīng)力和脆性較小的優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(shí)驗(yàn)及正交實(shí)驗(yàn)研究了電鍍參數(shù)對金剛石上砂量的影響規(guī)律。當(dāng)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(dāng)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(jìn)而將走絲速度修正為188.7 mm/min。