具有高硬度高耐磨性的电镀金刚石工具及制造方法

摘要

一种具有高硬度高耐磨的电镀金刚石工具，它是在金刚石工具坯体上有纳米镍钴材料镀层；这种工具的方法包括制备电镀液、对金刚石工具坯体的镀前处理和对处理后金刚石工具坯体进行电镀；在对处理后金刚石工具坯体进行电镀时，是采用脉冲电镀方法在金刚石工具坯体上电镀纳米镍钴材料，其电镀液包括：硫酸镍、氯化镍、硫酸钴、晶粒细化剂、十二烷基硫酸钠和硼酸等组分制成；这种工具，具有很高的硬度和高耐磨性，因此使用寿命长；还具有制造周期短的特点。

说明书

技术领域

本发明属于电镀金刚石工具，尤其涉及一种具有高硬度和高耐磨性的电镀金刚石工具；同时还涉及该工具的制造方法。

背景技术

金刚石有极高的硬度，用金刚石制作的工具适宜加工硬而脆的材料，而采用电镀技术制备电镀金刚石工具不仅制作温度低，避免了高温损伤金刚石，增加了这种工具的使用寿命；也提高了工具加工效率和加工质量；目前，电镀金刚石工具，已在机械、电子、建筑、钻探、光学玻璃加工等工业领域得到广泛应用。目前电镀金刚石工具的制备主要采用直流电镀镍钴合金的办法，镍钴合金具有比纯镍较高的硬度和韧性且与金刚石结合能力较好，但是它所要求钴的含量过高，只有在达到约30％时，才能保证较高的硬度及耐磨性，而钴价格较贵。另外，镀层中若钴含量超过30％后，镀层内应力很大，很容易引起龟裂和起皮脱落。由于电镀镍钴合金硬度范围较窄，制成的工具用来加工硬石材、超硬石材、玻璃以及强研磨性岩层时，它的耐磨性常显得不足。再则，目前采用直流电沉积制备工具需要的电镀时间长，因此拉长制备周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高硬度和高耐磨性，使用寿命长、制造周期短的以纳米镍钴合金为胎体材料的电镀金刚石工具；同时提供该工具的制造方法。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：这种具有高硬度高耐磨的电镀金刚石工具，它是在金刚石工具坯体上有纳米镍钴材料镀层。

制造这种具有高硬度高耐磨的电镀金刚石工具的方法：包括制备电镀液、对金刚石工具坯体的镀前处理和对处理后金刚石工具坯体进行电镀；在对处理后金刚石工具坯体进行电镀时，是采用脉冲电镀方法在金刚石工具坯体上电镀纳米镍钴材料，其电镀液包括下述组分制成：

硫酸镍200-300克/升、氯化镍25-40克/升、硫酸钴2-12克/升、晶粒细化剂2-6克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸30-30克/升。

对处理后金刚石工具坯体进行电镀时，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度100～230A/dm²，电流通开时间1-5ms，电流关断时间5-15ms。

所述的细化添加剂是糖精或香豆素。

电镀时，电镀液的温度为32-50℃。

所述的电化学除油液包括下述组分制成：

NaOH      35～45g/l

Na₂CO₃    26～35g/l

Na₃PO₄    25～29g/l或31～35g/l

Na₂SiO₃   3～7g/l；

经电化学除油后的工件再用50％的H₂SO₄溶液做电化学活化，而后用浓度等于或小于5％的H₂SO₄溶液进行弱酸侵蚀。

采用脉冲电镀方法在金刚石工具坯体上镀上纳米镍钴材料的底层后，再采用直流电沉积上砂，而后采用脉冲电流沉积加厚镀层；上砂时所采用直流电的电流密度为1.1～2.2A/dm²；采用脉冲电流沉积加厚镀层的脉冲电参数为：峰值电流密度为90～230A/dm²，电流通开时间1-5ms，电流关断时间5-15ms。

由于纳米材料晶粒细小，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高，而本发明镀液中的硫酸镍、氯化镍、硫酸钴均选用了恰当的用量，电镀液中又添加了晶粒细化剂，再配合利用脉冲电流手段，能得到镍钴合金的纳米晶粒材料，这些纳米晶粒材料制成的金刚石工具，具有很高的硬度和高耐磨性，从而延长了工具的使用寿命；又由于，脉冲电镀有比直流电镀大得多的电流密度，所以它比直流电镀效率高，因此缩短了工具的制造周期；另外本发明的制造方法适用于硬度范围较宽的胎体材料，故利用该方法可以制造出能加工不同硬度材料的工具。

具体实施方式

实施例1：本实施例中的具有高硬度高耐磨的电镀金刚石工具，它是在金刚石工具坯体上有纳米镍钴材料镀层。

这种工具制造的方法如下：(1)金刚石工具坯体的镀前处理：

a、先对金刚石工具坯体的粗糙面进行机械修整，而后用强酸浸泡1分钟，再用水将工具冲洗干净；

b、用组分为：NaOH 35g/l、Na₂CO₃ 26g/l、Na₃PO₄ 25g/l、Na₂SiO₃ 3g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H₂SO₄溶液做电化学活化，再用浓度等于5％的H₂SO₄溶液进行弱酸侵蚀。

(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，硫酸镍200克/升、氯化镍25克/升、硫酸钴2克/升、晶粒细化剂2克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸30克/升和适量的蒸馏水；晶粒细化剂采用糖精。

(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为50mm，S_阴∶S_阳 1∶8，阳极采用镍板；用上述配制的电镀液，采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为90A/dm²、电流开通时间为1ms、电流关断时间为25ms。

电镀过程中镀液温度 保持30-32℃。

实施例2：本实施例中的电镀金刚石工具，也是在金刚石工具坯体上有纳米镍钴材料镀层。

这种工具制造时，在步骤(1)中：

a、金刚石工具坯体的粗糙面进行机械修整后用强酸浸泡2分钟，再用水将工具冲洗干净；

b、用组分为：NaOH 45g/l、Na₂CO₃ 35g/l、Na₃PO₄ 29g/l、Na₂SiO₃ 7g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H₂SO₄溶液做电化学活化，再用浓度为4％的H₂SO₄溶液进行弱酸侵蚀。

(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，硫酸镍300克/升、氯化镍40克/升、硫酸钴12克/升、晶粒细化剂6克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸40克/升和适量的蒸馏水；晶粒细化剂采用香豆素。

在步骤(3)的电镀中：电极间距为100mm，S_阴∶S_阳 1∶16；用上述配制的电镀液，采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为230A/dm²、电流开通时间为5ms、电流关断时间为15ms；

电镀过程中镀液温度保持49-50℃。其他均与实施例1相同。

实施例3：本实施例中，具有纳米镍钴材料镀层的金刚石工具的制造方法是：

(1)金刚石工具坯体的镀前处理：

a、先对金刚石工具的粗糙面进行机械修整，而后用强酸浸泡3分钟，再用水将工具冲洗干净；

b、用组分为：NaOH 40g/l、Na₂CO₃ 30g/l、Na₃PO₄ 31g/l、Na₂SiO₃ 4g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H₂SO₄溶液做电化学活化，再用浓度等于3.5％的H₂SO₄溶液进行弱酸侵蚀。

(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，硫酸镍220克/升、氯化镍28克/升、硫酸钴3克/升、香豆素3克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸32克/升和适量的蒸馏水；

(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为70mm，S_阴∶S_阳 1∶9，阳极用镍板，用上述配制的电镀液，采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为110A/dm²、电流开通时间为2ms、电流关断时间为7ms；

电镀过程中镀液温度 保持33-35℃。

实施例4：本实施例中的电镀金刚石工具也为金刚石工具坯体上有纳米镍钴材料镀层。

这种工具制造时，在步骤(1)中：

所配制成的除油液组分为：NaOH 43g/l、Na₂CO₃ 28g/l、Na₃PO₄ 35g/l、Na₂SiO₃ 5g/l，经电化学活化后再用浓度等于4.5％的H₂SO₄溶液进行弱酸侵蚀。

(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，硫酸镍230克/升、氯化镍38克/升、硫酸钴8克/升、糖精5克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸38克/升和适量的蒸馏水；

(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为75mm，S_阴∶S_阳 1∶11，用上述配制的电镀液，采用脉冲电流进行电镀，峰值电流密度为120A/dm²、电流开通时间为3ms、电流关断时间为10ms；

电镀过程中镀液温度 保持36-38℃。

其他均与实施例1相同。

实施例5：本实施例中的电镀金刚石工具也为金刚石工具坯体上的镀层是纳米镍钴材料。

这种工具制造时，步骤(1)中：

所配制成的除油液组分为：NaOH 37g/l、Na₂CO₃ 32g/l、Na₃PO₄ 27g/l、Na₂SiO₃ 6g/l，经电化学活化后再用浓度等于3％的H2SO4溶液进行弱酸侵蚀。

(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制而成，硫酸镍250克/升、氯化镍30克/升、硫酸钴10克/升、香豆素4克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸35克/升和适量的蒸馏水；

在步骤(3)中：电极间距为78mm，S_阴∶S_阳 1∶13；阳极采用镍板；用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀时，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为150A/dm²、电流开通时间为4ms、电流关断时间为12ms；

经过28分钟后，采用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为1.1A/dm²，上砂时间为40分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度100A/dm²电流开通时间为1ms、电流关断时间为5ms；加厚时间为150分钟。

电镀过程中镀液温度 保持39-41℃。

实施例6：本实施例中的具有高硬度高耐磨的电镀金刚石工具，是在金刚石工具上有纳米镍钴材料镀层。

这种工具制造的方法如下：(1)金刚石工具坯体的镀前处理：

a、先对金刚石工具坯体的粗糙面进行机械修整，而后用强酸浸泡4分钟，再用水将工具冲洗干净；

b、用组分为：NaOH 39g/l、Na₂CO₃ 33g/l、Na₃PO₄ 33g/l、Na₂SiO₃ 3g/l配制成的除油液对经上述处理后的工具坯体进行电化学除油；而后用50％的H₂SO₄溶液做电化学活化，再用浓度等于5％的H₂SO₄溶液进行弱酸侵蚀。

(2)电镀液的配制：电镀液按下述组分配制：硫酸镍280克/升、氯化镍35克/升、硫酸钴5克/升、糖精4克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸39克/升和适量的蒸馏水；

(3)电镀：将经过处理后的金刚石工具放入镀槽，电极间距为100mm，S阴∶S阳 1∶16；阳极用镍板；用上述配制的电镀液，采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为180A/dm²、电流开通时间为3ms、电流关断时间为14ms；电镀过程中镀液温度 保持43℃。

实施例7：本实施例中具有纳米镍钴材料镀层的金刚石工具的制造方法中，采用的电镀液组分为：硫酸镍290克/升、氯化镍29克/升、硫酸钴9克/升、糖精5克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸37克/升和适量的蒸馏水；

电镀时，电极间距为85mm，S_阴∶S_阳 1∶12；在金刚石工具上镀上纳米镍钴材料的底层时脉冲电参数为：峰值电流密度为200A/dm²、电流开通时间为5ms、电流关断时间为9ms；直流电沉积上砂时所采用直流电的电流密度为2.2A/dm²，上砂时间为58分钟，用脉冲电流沉积加厚镀层时，峰值电流密度230A/dm²，电流开通时间为5ms、电流关断时间为15ms；，加厚时间为110分钟。镀液温度 保持46-47℃

其他加工方法和工艺条件均与实施例1相同。

实施例8：本实施例中具有纳米镍钴材料镀层的金刚石工具的制造方法中，采用的电镀液组分为：硫酸镍240克/升、氯化镍32克/升、硫酸钴7克/升、香豆素2克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸33克/升和适量的蒸馏水；

在金刚石工具上镀上纳米镍钴材料的底层时，脉冲电参数为：峰值电流密度为210A/dm²、电流开通时间为5ms、电流关断时间为6ms；经过18分钟；直流电沉积上砂时所采用直流电的电流密度为2A/dm²，上砂时间为50分钟；用脉冲电流沉积加厚镀层时，峰值电流密度130A/dm²，电流开通时间为2.5ms、电流关断时间为11ms；加厚时间为110分钟；镀液温度保持44-45℃；其他均与实施例5相同。

实施例9：本实施例中具有纳米镍钴材料镀层的金刚石工具的制造方法中，采用的电镀液组分为：硫酸镍260克/升、氯化镍34克/升、硫酸钴11克/升、香豆素6克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸36克/升和适量的蒸馏水；

在金刚石工具上镀上纳米镍钴材料时脉冲电参数为：峰值电流密度为220A/dm²、电流开通时间为3.5ms、电流关断时间为13ms；其他均与实施例2相同。

实施例10：本实施例中的具有高硬度高耐磨的电镀金刚石工具，是在金刚石工具上有纳米镍钴材料镀层。

这种工具制造时，电镀液按下述组分配制，硫酸镍270克/升、氯化镍31克/升、硫酸钴6克/升、香豆素4克/升、十二烷基硫酸钠0.005克/升、硼酸34克/升和适量的蒸馏水；

在步骤(3)的电镀中：电极间距为100mm，S_阴∶S_阳 1∶16；阳极用镍板，用上述配制的电镀液，先采用脉冲电流进行电镀，采用的脉冲电参数为：峰值电流密度为160A/dm²、电流开通时间为4.5ms、电流关断时间为8ms；经过21分钟后，把已镀上纳米镍钴材料底层的金刚石工具坯体用直流电沉积上砂，上砂时所采用直流电的电流密度为1.5A/dm²，上砂时间为48分钟；再采用脉冲电流沉积加厚镀层，脉冲电参数为：峰值电流密度90A/dm²电流开通时间为3ms、电流关断时间为11ms；加厚时间为110分钟。

电镀过程中镀液温度 保持32-34℃。其他均与实施例3相同。