电镀金刚石工具镀层脱落的原因分析

　　1、前言
　　电镀金刚石工具是指通过金属电沉积的方法使金刚石牢固地被胎体金属包裹在基体(钢或其它材料)上制作而成的一种金刚石工具它广泛应用于机械电子、玻璃、建材、石油钻探等行业。随着经济的发展科学技术的进步不同的行业对电镀金刚石工具的要求基本上是相同的即效率高、寿命长、磨削精度高。要保证这些特性镀层金属不仅要有较高的硬度、耐磨性而且要求在基体各个部分要均匀分布以免镀层脱落使工具寿命缩短。在某些特殊行业如磁性材料行业的强力磨削进刀量都是控制在0.3mm左右;陶瓷行业的大进刀量的干磨削等对镀层金属与钢基体的结合力要求尤为苛刻。在电镀金刚石工具的生产过程中大部分厂家都只注意到了镀层金属的种类、硬度、耐磨性而往往忽视镀层金属与基体结合力的问题。在实际使用过程中镀层脱落的现象屡见不鲜。本文就这一问题进行了原因分析并对解决措施略作探讨。
　　2、镀层脱落的种类
　　电镀金刚石工具在使用过程中由于使用条件如磨削力大小、温升、工件的撞击等原因会造成含有金刚石的金属镀层与钢基体分离的现象这就是镀层脱落。镀层脱落一般是局部脱落镀层一次性全剥离的现象少见。在实际使用过程中镀层脱落的情形大致有如下三种：
　　(1)镀层脱落至基体表面：即含金刚石的金属镀层和不含金刚石的金属底镀层同时与钢基体分离。
　　(2)层脱落至金属底镀层：即不含金刚石的金属底镀层与钢基体未分离只是含金刚石的金属镀层与金属底镀层剥离。
　　(3)含金刚石的金属镀层中镀层金属层状分离：含金刚石的金属镀层在使用过程中与工件接触部分的镀层金属不是正常磨耗而是非正常地成片或粉末状脱落金刚石不是全部脱落而是局部粒状脱落。这种现象不易引起注意造成的后果是制品寿命较短往往会给人一种镀层金属把持力或耐磨性不佳的假象。排除加厚时镀层烧焦和镀层金属耐磨性差等因素工具在正常使用过程中金刚石颗粒脱落直观表现为工具表面有连续成片较大的孔洞时应是此类镀层的脱落。
　　3、镀层脱落的原因
　　电镀金刚石工具在制造过程中牵涉多道工序任何一道工序进行得不充分都会造成镀层脱落。
　　3.1镀前处理的影响
　　钢基体在进入电镀槽之前的处理工序称之为镀前处理。镀前处理包括：机械抛光、除油、浸蚀及活化等步骤。镀前处理的目的是去除基体表面上的毛刺、油污、氧化膜、锈和氧化皮以暴露基体金属使金属晶格正常生长形成分子间的结合力。如果镀前处理不好基体表面有很薄的油膜和氧化膜基体金属的金属晶格就不能充分暴露就会妨碍镀层金属与基体金属形成分子间的结合力仅仅是机械镶嵌作用结合力差。
　　因此镀前处理不良是造成镀层脱落的主要原因。
　　3.2镀液的影响
　　镀液的配方直接影响镀层金属的种类、硬度、耐磨性配合不同的工艺参数还可控制镀层金属结晶的粗细、致密度以及镀层内应力的大小。对于电镀金刚石工具的生产而言绝大部分采用镍或镍-钴合金若不考虑镀液杂质的影响影响镀层脱落的因素有：
　　(1)内应力的影响镀层内应力是在电沉积过程中产生的溶液中的添加剂及其分解产物和氢氧化物均会增加内应力。这种应力是在电镀过程中镀层受到一些沉积因素的影响引起晶格缺陷所致。特别是某些金属离子和有机添加剂的作用会显著增加镀层的内应力。镀层内应力有宏观应力和微观应力两类。宏观应力表现在将一金属薄片进行单面电镀薄片受镀层内应力影响而产生弯曲。微观应力则主要通过提高镀层硬度表现出来。
　　宏观应力能引起镀层在贮存、使用过程中产生气泡、开裂、脱落等现象。
　　对于电镀镍或镍-钴合金而言不同的镀液组成内应力相差悬殊氯化物含量越高内应力越大。对于主盐为硫酸镍的镀液而言瓦特类镀液内应力均小于其他类镀液。通过添加有机光亮剂或应力消除剂可显著减小镀层的宏观内应力而增加其微观内应力。不同的工艺组合如电流密度、PH值、温度可以使同种镀液的镀层具有不同的内应力。因此要减少内应力的影响必须严格控制镀液的工艺范围这样才能保证镀层的内应力在工艺要求的范围内。
　　(2)析氢的影响在任何电镀液中不论其PH值如何由于水分子的离解永远存在一定量的氢离子。因此在条件适当的情况下无论在酸性、中性或碱性的电解液中进行电镀在阴极上与金属析出的同时往往有氢气析出。氢离子在阴极还原后一部分形成氢气逸出一部分以原子氢的状态渗入基体金属及镀层中。使晶格扭曲造成很大的内应力也使镀层显著变形。此时虽然从外观上看不出缺陷但它的机械性能是不合格的。工具在使用过程中当周围介质的温度升高时聚集在基体金属或镀层金属内的吸附氢会膨胀而使镀层产生鼓泡、脱落的现象。
　　电镀镍阴极电流效率为95%时只有5%为析氢反应。但是若温度过高PH值过低各组分不当均会使析氢加剧。因此如何控制电镀时的析氢反应以控制镀层内应力是一个值得探讨的问题。
　　3.3电镀过程的影响
　　若排除电镀液的成分及其他工艺控制方面的影响电镀过程中的断电是造成镀层脱落的一个重要原因。
　　电镀金刚石工具的电镀生产过程与其他类型的电镀有着较大的区别。电镀金刚石工具的电镀过程包括空镀(打底)、上砂、加厚过程。在各个过程中都存在着基体离开镀液即或长或短的断电的可能。比如说空镀一定时间后需观察底镍的质量及金刚石在基体上是否均匀分布;上述过程中若上砂有植砂和卸砂步骤卸砂有时需要离开镀槽在另一槽内进行;加厚过程中观察金刚石覆盖率是否到位等等。短时间断电对镀层影响不大若断电时间过长镀层金属表面就会在瞬间生成一层致密的氧化膜使随后进行的电沉积金属原子不能沿着原有的金属晶格生长影响两者的结合力。
　　工具在使用过程中外作用力大于这两层间的结合力时此两层之间的层与层的分离是不可避免的。因此采用更为合理的工艺、工序也可减少镀层脱落现象的出现。
　　4、解决镀层脱落的措施
　　针对上述镀层脱落的原因笔者认为可采取以下措施解决镀层脱落的问题：
　　(1)强化镀前处理尽可能完全去除基体表面上的毛刺、油污、氧化膜、锈和氧化皮促使镀层金属晶格正常生长提高镀层金属与基体金属间的结合力。
　　(2)优化镀液配方和电镀工艺、采取带电入槽防止双极性现象对于形状复杂的工件采用短时间大电流冲击空镀以减少镀层内应力和析氢现象的影响提高镀层质量。
　　(3)优化工艺、工序减少卸砂时的断电时间甚至不断电在原上砂槽内卸砂、加厚或在一备用槽内带电卸砂以提高金刚石颗粒与镀层间的结合力。若在加厚过程中遇停电现象重新加厚时工件应放入电解液中进行阴极还原还原后带电入槽电镀以保证镀层结合力。
　　5、结论
　　在电镀金刚石工具的生产过程中在选定某一组成的镀液配方时除考虑镀层金属的硬度、耐磨性外还应充分注意镀层内应力定性测量镀层内应力以及各种添加剂对内应力的影响。同时在生产过程中应充分重视镀前处理的各个步骤生产工艺控制规范确保镀液洁净、杂质含量在工艺范围内只有这样才能保证生产出优质、质量稳定的电镀金刚石工具。