金刚石线锯制造的一些关键技术问题探讨

金刚石线锯制造的一些关键技术问题探讨图1表明了分别采用未镀覆金刚石与镀覆金刚石上砂电镀镍的区别。众所周知，采用未镀覆的原始金刚石制作电镀金刚石工具，镀镍层从工具的基体开始逐渐生长增厚，由于金刚石不能导电，镍镀层不在金刚石上沉积，而是“绕过”金刚石生长，通过显微镜发现发现，在镍镀层与金刚石颗粒界线处，镍镀层会凹陷。因此，金刚石在电镀过程中作为“杂质”被镍镀层埋在镀层内，形成电镀金刚石工具。这样，金刚石与镍镀层之间结合力不好，只是靠镍镀层对金刚石的机械镶嵌来把持金刚石，因此对于镀层的厚度有着严格要求，一般认为最佳镀层厚度应该使得金刚石直径的70%埋入镍镀层中，埋入厚度不足，金刚石容易脱落；反之埋入过多，金刚石难于出露，工具的出刃不好，加工效率低。这样的要求给电镀过程控制带来了镀层厚度要求高，难调控的问题。另外，由于金刚石不导电，镍镀层不能直接在金刚石表面形核生长，而是“绕过”金刚石生长，非常不利于金刚石上砂，也就是说，金刚石颗粒不容易沉积到钢丝基体上。金刚石微粉上砂慢，浓度不易调整，浓度难于控制。这个问题对于长度巨大的金刚石线锯连续大批量生产提出挑战。如果采用镀覆的金刚石制作电镀金刚石工具，如镀钛金刚石、镀镍金刚石、镀铜金刚石、镀铬金刚石、镀覆合金的金刚石以及复合镀层金刚石等等，情况与上述未镀覆的金刚石发生了很大的变化。由于镀覆的金刚石变得导电了，镍镀层从工具的基体和与基体接触的镀覆金刚石上同时生长，而不是“绕过”金刚石生长，上砂容易，镀层生长迅速因此镀覆的导电金刚石在电镀过程中不是作为“杂质”，“被动”地埋在镍镀层内，而是“主动”与镍镀层形成电镀金刚石工具。由于镍镀层迅速漫过整个金刚石颗粒，对金刚石颗粒全覆盖，镍镀层厚度可以比薄，金刚石出刃高，制造方法电镀，金刚石微粉复合镀镍，使得金刚石微粉颗粒与金属镍共沉积在钢丝上钎焊法，采用钎焊的方法，用钎料把金刚石钎焊在钢丝上挤压镶嵌法，采用机械挤压方法，把金刚石颗粒嵌入钢丝。不管什么方法，两个要点，将金刚石微粉颗粒分布在钢丝表面，牢固结合在高强度钢丝上。另外，制造过程不能损害高强度钢丝的性能。这里特别需要注意，不能使高强度钢丝经受高温退火，由于的工作条件，线锯对高强钢丝的强度有极高的要求，以保持切割过程中丝线的刚性和防止断丝。因此，对于细达0.1mm的钢丝，都是经过多道次冷拔，积聚了很大的加工硬化的强化效果，使得钢丝具备高强度、高弹性和高屈服点，从而能够胜任线锯切割工作时大拉力不断丝。但是如果采用钎焊方法制造线锯，钎焊过程的高温，对冷拔高强度钢丝退火，消除了加工硬化的强化效果，并且不可恢复，导致高强钢丝屈服强度大幅度下降，不能适应线锯切割工作时大拉力，产生断丝。对于挤压镶嵌法制造金刚石线锯，金刚石的挤压使得高强度钢丝表面损伤，而高强度钢丝对表面损伤及其敏感，表面损伤产生的应力集中效应易造成线锯断丝。因此1不能退火2不能损伤钢丝表面3电沉积最合适的方法金刚石线锯的巨大长度和工作时不能断丝的要求，对线锯的制造工艺和质量提出了严格的要求。主要体现在如下要求：1金刚石快速上砂2快速电沉积3金刚石与镀层的结合力关键问题1金刚石快速上砂表面处理-电荷调整表面改性表面镀覆-调整共沉积-与结合剂牢固表面整形和圆钝化—调整切削性能-防止破碎-防止损伤钢丝Epd+电镀2快速电沉积电镀液（络合物电镀液改造的电刷镀技术喷射电沉积电铸3金刚石与镀层的结合力镀钛镀钨镀铬镀硅镀膜表面整形及粗糙化镀镍金刚石已经应用于金刚石线锯的制造，上砂速度快，加厚速度快，两个沉积的示意图摘要：本文讨论了金刚石线锯制造的一些关键技术问题。指出电镀方法生产金刚石线锯，不会造成高强度钢丝退火软化，不会损伤钢丝强度，是适合金刚石线锯生产的工艺方法。进一步分析指出：采用镀覆的金刚石，尤其是采用与金刚石形成化合物结合的镀覆金刚石，如镀钛、镀钨、镀钼、镀铬和复合镀的金刚石，有利于高质量金刚石线锯的生产；具有上砂速度快，上砂容易；镍镀层对镀覆金刚石颗粒迅速整体覆盖，镍镀层生长迅速；镍镀层与镀覆金刚石结合牢固，出刃高的特点。因此镀覆金刚石为生产高质量金刚石线锯提供了有力的技术支持。最后介绍了我们专门发展的金刚石微粉镀覆技术和复合镀金刚石技术。适用于金刚石线锯的金刚石表面镀覆技术用超硬磨料与结合剂形成的特殊复合材料就是超硬工具。为了最大限度提高工具性能，目前发展形成了一系列超硬磨料表面处理技术，从而获得了各类镀覆的超硬磨料品种，如镀钛金刚石，镀镍金刚石，镀铜金刚石，镀硅金刚石，复合镀金刚石和涂覆刚玉金刚石等；各类表面处理的目的主要是：1提高超硬磨粒与结合剂的把持力，防止脱落而导致超硬磨粒浪费，在实际生产应用时可以减少金刚石用量，降低工具的制造成本。2保护超硬磨粒，避免工具烧结过程中结合剂对超硬磨粒的侵蚀损伤。可以稳定工具的质量，大量采用铁基结合剂，降低结合剂成本。3提高工具使用寿命和锋利度。近年来，除了传统的镀镍金刚石大量出口用以制作树脂结合剂砂轮以外，燕山大学发展的镀钛金刚石在超硬材料领域得到了越来越广泛的应用，几乎达到了普及状态，并且对镀覆工艺技术和结合剂配方进行专门的优化，获得了最佳应用效果，对于提高各类金刚石工具性能，降低制造成本起到了重要作用。正确了解和使用各类镀覆产品，有利于促进超硬材料制品的发展。随着超硬材料工具的不断发展，原有的镀覆技术一直在改进并完善，新的镀覆技术不断出现，形成了适用不同工具种类和结合剂类型的一系列表面处理工艺技术和品种。目前正在广泛使用的金刚石镀镍和镀钛产品，主要是磨粒尺寸范围的产品，即25—400目之间，普通的真空微蒸发镀钛，最细达到325目。对于金刚石微粉的镀覆，不管是镀钛还是镀镍，存在着很大的技术困难，在金刚石线锯出现之前，市场对微粉镀覆的需求也不多。由于金刚石微粉的超细尺寸、超大表面积、易于飞溅、难以沉降和分离，而且后续处理随着粒度变细十分困难。因此，各类镀覆方法、各类镀层种类对于微粉镀覆操作来说困难很大。化学镀、电镀等溶液镀覆镍、铜等，巨大的表面积容易使化学镀液失稳，微粉在镀液中飘浮不能进行滚镀加厚，微粉镀覆易于形成粘连，镀液与微粉很难分离，从活化－敏化－化学镀－电镀一系列的漂洗过程十分繁杂，微粉容易大量流失，因此采用溶液镀覆方法，几乎难以产生合格的产品，即使勉强镀覆，存在着成本高、废品率高、镀覆不均匀，漏镀、严重粘连等一系列问题。我们在国内外首次研究开发成功微粉级超硬磨料的真空镀覆技术。近十余年来，通过持续不断的研究工作，镀覆的种类增加，镀覆的极限粒度细达纳米级，不仅可以镀覆金刚石微纳尺度的粉体，而且镀覆对象扩展到立方氮化硼，碳化硅，碳化硼，碳纳米管，介孔碳和石墨烯表面的镀覆。这些处于国际领先水平的微纳粉体专门镀覆技术，不仅应用于超硬材料各类精细工具和聚晶制造领域，实现了超硬材料微粉工业化镀覆生产，而且在新型功能材料领域展示出应用潜力。微粉专用真空微蒸发镀覆技术及应用[7]该项技术适用于微粉及200目以细超硬磨料的镀覆，最细可以镀覆纳米金刚石。工艺简单可控，成本低。该项微粉镀覆技术圆满解决了微粉的超细尺寸、超大表面积所造成的易于飞溅、难以分离及镀覆不均匀等一系列工业化技术问题，可以实现大规模的工业生产。超硬材料微粉镀钛的主要技术指标如下：1）镀后金刚石与镀层即形成强力化学键合；微粉颗粒之间无粘连；镀附成本低。2）镀附最细粒度达到纳米金刚石；镀后增重随粒度不同在3～15％范围。3）黑色、琥珀色CBN微粉也可镀覆，其主要技术指标和金刚石微粉镀覆相同。超硬材料微粉镀覆产品，将在金属结合剂和陶瓷结合剂的超硬微粉工具，中介结合的超硬聚晶产品制造领域得到广泛应用，并有利于这些产品的技术进步。镀钛超硬材料微粉可应用的工具产品如下：1、在光学玻璃加工领域已经广泛应用的金刚石精磨片。2、在石材及玻化瓷砖精磨及抛光领域兴起的金刚石抛磨工具。3、含有金刚石微粉的复合耐磨镀层。4、用于各类超硬聚晶切削工具刃磨的金属、陶瓷结合剂金刚石精细磨轮。5、镀钛超硬材料微粉用于制造中介结合的超硬聚晶产品。金刚石线锯采用镀覆金刚石，可以提高上砂和电沉积速度