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        超硬材料系列镀覆产品及应用

        作者:转载来源:超硬天地 日期:2016年8月12日

        0 前言

        近年来,随着各类高性能超硬材料工具的不断开发应用,我们以真空微蒸发镀覆技术为核心,目前已经形成了超硬磨料镀覆金属化系列产品,这些系列镀覆产品分别适用于各类不同结合剂和不同制造工艺的工具。在各类高性能低成本超硬工具的制造中,发挥了重要作用。

         

        刚玉涂覆的金刚石和立方氮化硼是我们研制开发的具有创新性的产品,采用硬脆的刚玉或碳化硅作为涂层,涂层凸凹不平,呈“刺状”,与金刚石、立方氮化硼牢固结合。经过工业化应用表明,这种涂覆产品同时提高了树脂砂轮的寿命和加工效率,是树脂工具升级换代的新产品。

         

        本文介绍了各类镀覆产品的技术特征和应用效果。

         

         

        1 超硬磨料的镀覆种类及应用

        我们完成的国家重点科技攻关成果:“超硬材料真空微蒸发镀覆技术及装备”,其最重要的技术进展在于:镀覆温度低至650℃,与原始真空微蒸发镀覆技术的780℃相比,降低了100℃以上,现在可以根据需要 在650-780℃任选温度实现镀覆,这一范围的镀覆温度是区别于其它技术的重要特征。该技术圆满解 决了国内外超硬磨料各类镀覆技术(如磁控溅射、离子镀、粉末覆盖沉积镀、非真空低温电镀)所存在的单次镀覆量少;镀层与磨料结合强度低;镀覆过程温度高,损伤超硬磨料以及镀覆成本高等一系列工业应用问题。实现了单次大批量工业化镀覆;镀层与磨料结合强度>140MPa;镀后超硬磨料单颗粒抗压强度提高5~20%,镀覆成本每克拉<0.01元。本项技术装备作为超硬材料工业的共性关键技术与装备,所镀覆的超硬磨料适用于各类高性能价格比金属、陶瓷结合剂超硬工具的制造,已在金刚石工具厂获得良好应用。

         

        系列镀覆产品是以真空微蒸发镀覆技术和设备所生产的镀钛金刚石为核心,通过电镀形成复合镀层。图1表明了镀覆产品的系列和应用情况。

         

        1.1 镀覆单一金属或合金的超硬磨料

         

        在金刚石、立方氮化硼表面镀钛及钛合金,可以实现磨粒与金属或陶瓷结合剂的强力结合,工具切磨工作时不脱粒、出刃增加,此外镀层也保护超硬磨料免受工具烧结过程中的热损伤,因而采用镀钛及钛合金的 超硬磨料制造工具大幅度提高了工具的寿命和加工效率,降低了工具制造成本。国际著名超硬材料生产厂家都有相应的镀钛及钛合金超硬磨料品牌,如DeBeers公司的SDA-85T、ABN615,G.E公司的MBS-930T、MBS-960T、CBN510等。

         

        技术特征:镀覆单一金属(如镀钛、镀钨)的金刚石,以及镀覆合金(如镀钛-铬合金)的金刚石,虽然从几何角度讲是单层的金属或合金,但是真空微蒸发镀覆过程中镀层即与金刚石形成了碳化物,从金刚石表面外延生长的碳化物在成分和结构上是逐渐过渡的,与镀层金属或合金并没有明显的几何界限,这是实现镀层与金刚石牢固结合的关键因素。

         

        镀覆工艺设备:燕山大学研制生产的真空微蒸发镀技术及设备,镀覆成本低于0.01元克拉,增重0.5~3.0%;单次镀覆量最大已经超过两万克拉。

         

        应用效果:在金刚石与金属粉末混合、烧结,获得的孕镶工具中,已经广泛采用真空镀钛或镀钨的金刚石实现金刚石与结合剂胎体之间的冶金结合。这类孕镶工具制造工艺采用热压或保护气氛烧结,很薄的镀钛或镀钨镀层已满足了与结合剂胎体冶金结合的要求,因为镀钛金刚石被金属粉末包裹,像锌、锡低熔点金属熔化后覆盖在镀覆的金刚石表面防止了镀层的氧化失效,此外热压过程中石墨模和湿润剂能形成保护气氛,这些因素保证了镀钛或镀钨金刚石与金属粉末 良好的共同烧结。多年来国内外生产的单一层镀钛金刚石的增重量为0.5%左右,获得了广泛良好的应用效果也证明了这一点。其主要原因在于钛的低温稳定高温活泼特性。金属钛在常温状态下是化学性质最稳定和最耐腐蚀的金属之一,550℃开始活泼并且低价氧化钛被母材基体吸收而消失,不影响钎焊。由于在金刚石工具热压或无压烧结过程中,200℃以上属于保护性气氛,还有低熔物的熔化包裹,因此镀钛金刚石直接适用于粉末烧结,冷压热压各个工艺各类产品。

         

        真空微蒸发镀覆技术工业化应用以来,已在国内近百家金刚石工具厂应用,其生产的镀钛金刚石适用于各类金属烧结结合剂金刚石工具,像各类金刚石切割锯片、玻化砖金刚石滚筒及磨边轮等金刚石工具。工业化统计结果表明:利用镀钛金刚石,大幅度提高(30~120%)工具寿命和加工效率。其原因在于:①镀后的磨料与镀层即已形成了强力结合,工具制造的烧结过程中,可顺利实现与结合剂的冶金结合,防止金刚石从胚体脱落;并且使金刚石在工具切割面上出刃高度增加;从而使工具寿命和加工效率都得到提高。②由于钛及其难溶化物镀层的保护,防止了工具的烧结过程中金刚石的氧化和胎体中的钴、镍、铁元素对金刚石的腐蚀,石墨损坏,使制品中金刚石的存留强度大幅度提高,增强了工具中金刚石的抗破碎能力,有利于高速工作的切、磨花岗岩工具寿命的提高。

         

        在保持工具高性能的前提下,采用镀钛技术的厂家其收益主要体现在如下方面:

         

        ★可以采用无钴铁基结合剂制造各类工具;

         

        ★减少金刚石用量;

         

        ★大量使用廉价细粒度金刚石;

         

        ★由此使金刚石工具的制造成本大幅度降低。

         

        1.2 真空微蒸发镀覆之后再经电镀形成的多层复合

         

        镀超硬磨料工艺设备:金刚石经过真空微蒸发镀钛或镀钨之后,由于已经有了导电的金属层,可以直接采用化学镀镍或电镀镍(不必经过敏化、活化等前期处理)形成复合镀层。化学镀可以采用酸性镀液或碱性镀液,适于小批量的镀覆,镀层硬度高。化学镀应该注意金刚石与镀液的量比适当,防止过多的金刚石造成镀液失稳分解。镀覆过程中必须适当搅拌,防止金刚石颗粒粘连。

         

        经过真空微蒸发镀覆钛或钨的金刚石也可以直接电镀滚镀镍,与普通镀镍类似,有多种电镀配方,这种复合镀工艺省去了敏化、活化、化学镀等诸多的繁琐工序,成本低,批量大,适于大规模的工业化生产复合镀层金刚石。

         

        技术特征:必须指出,先真空镀钛镀钨,然后进一步镀镍形成的复合镀金刚石的结构和性能,完全不同于普通的镀镍金刚石。复合镀金刚石首先钛与金刚石已经形成碳化钛,使镀钛层与金刚石形成了化学键合,复合镀镍层在钎焊时其内层与钛扩散结合,外层的镍很容易与基体钎焊。这种复合镀层结构保证了金刚石牢固地焊接在基体上,其钎焊后的结构示意图如图2所示。普通镀镍金刚石镀层与金刚石之间无结合力,钎焊时还可能使镀镍层熔化脱落,不能实现钎焊金刚石的目的。

         

        应用情况:

         

        (1)复合镀钛镍合金金刚石用于金属烧结结合剂工具

         

        如1.1节所述,镀覆单一金属层的金刚石,像镀钛、镀钨或镀钛铬合金的金刚石,直接用于金属粉末烧结的各类金刚石工具,就可以起到与结合剂牢固的冶金结合作用。但是复合镀钛镍合金金刚石也可以用于金属烧结结合剂工具。金刚石颗粒借助钛镀层与镍镀层冶金结合,由于镀镍层致密耐磨,在金刚石周边的结合剂得到很大的强化,在磨削过程中,金刚石颗粒及周围形成明显“凸起”,出刃大大增加,其结构类似图2示意图。因此,采用复合镀钛镍合金金刚石制造金属烧结结合剂工具会获得更好的性能。

         

        (2)复合镀钛镍合金金刚石用于制造钎焊金刚石工具

         

        近年来,钎焊的表镶金刚石工具得到国外的重视,一些产品已经面世。由于金刚石与基体之间的强力焊接结合,这种钎焊的表镶工具可以使金刚石颗粒直径的2 3出刃,金刚石在工作时不脱落,其锋利度远远高于普通的孕镶或电镀表镶工具并且能够长期保持其锋利性。采用火焰或感应加热的钎焊方法由于操作环境差,直接使用真空镀钛、镀钨(增重量0.5%)的金刚石薄镀层易于烧损。因此要在镀钛或镀钨的表面进一步化学镀镍或电镀镍,增重量达到10%以上,这样才能保证在普通的大气钎焊条件下顺利将金刚石可靠焊接到基体上。

         

        表镶钎焊的工艺方法可用于制造各类表镶钻头,修整工具,锋利的磨轮,金属薄基带的涂覆磨具可以象砂纸一样按需要裁剪粘贴,还可以制成封闭的循环磨削砂带应用于诸多领域。

         

        在空气中直接钎焊金刚石制造表面钎焊的金刚石工具,为了防止镀钛金刚石表面钛镀层的氧化,我们研制出一种真空微蒸发镀钛后再镀镍的复合镀金刚石磨粒。这种复合镀金刚石磨粒,采用空气环境下高频感应的钎焊方法,使金刚石与基体焊接极其牢固。燕山大学近年来采用上述工艺方法对国内几家用户的单晶 和聚晶金刚石进行复合镀,获得了良好的钎焊效果,图3表明了复合镀Ti-Ni金刚石在空气中高频钎焊的形貌,复合镀金刚石与钎料浸润良好,结合牢固,经砂轮强力打磨不脱落。

         

        在实际的金刚石钎焊工具制造中,还有一个重要问题就是金刚石颗粒的分布排列和定向技术,否则,金刚石颗粒在工作面上的密度难于控制,并且钎焊时金刚石的平面向下,失去有效的切削能力。我们研究开发了一系列金刚石钎焊的排列和定位技术,解决了生产实际问题。

         

        (3)用于树脂结合剂的低品级超硬磨料镀镍(镀钛)的新工艺

         

        镀镍的低品级金刚石(一二型料,即RVD)是专门用于树脂结合剂的镀覆磨料,由于镀镍成本高在国内树脂金刚石砂轮制造行业使用较少,但是国际市场有很大需求量,我国每年有大量镀镍低品级金刚石出口。用经过真空微蒸发镀覆钛的金刚石在滚镀机内直接电镀镍,省去了传统镀镍工艺中敏化、活化、化学镀等诸多的繁琐工序,成本低,批量大,适于大规模的工业化生产复合镀层金刚石,是极具成本和质量竞争力的新一代镀镍工艺和技术。

         

        传统镀镍和复合镀钛镍的工艺比较如下:

         

        传统镀镍:金刚石→酸洗 碱洗→敏化→活化→还原→化学镀→电镀

         

        复合镀新工艺:金刚石→真空微蒸发镀钛→直接电镀镍

         

        采用复合镀替代传统镀镍工艺的优点:(1)成本低:由于真空微蒸发镀每天镀覆能力10000克拉,可供3~9台滚镀机,每克拉镀覆成本低于0.01元,因此复合镀每克拉成本低于0.05元;而传统镀镍各个工艺步骤使用大量药品,许多是一次性使用,镀覆成本很高,每克拉成本大于0.10元。

         

        (2)周期短,操作简单:复合镀替代传统镀镍工艺免去了酸洗 碱洗→敏化→活化→还原→化学镀一系列繁杂的步骤及大量的溶液操作及漂洗过程。

         

        (3)质量好,无漏镀:传统镀镍工艺首先获得化学镀镍层,以实现随后滚镀加厚对金刚石导电性的要求,但是,滚镀过程中部分金刚石在镀液中的漂浮,会形成双电极效应,使化学镀镍层溶落,导致金刚石漏镀。对于细粒度金刚石这种现象更加明显。采用镀钛金刚石进行滚镀加厚,即使形成双电极效应,镀钛层也不会溶落,没有漏镀现象发生。因此,复合镀钛镍金刚石镀覆质量好,镀覆的粒度极限更细。

         

         

        2 刚玉涂覆的超硬磨料

        这是燕山大学研制成功的一种新型的适用于树脂结合剂工具的刚玉涂覆的超硬磨料。其特征是:采用硬脆的刚玉或碳化硅作为涂层,涂层凸凹不平,呈“刺状”,与金刚石、立方氮化硼牢固结合,在树脂基砂轮中能够提高超硬磨料与基体的把持力,防止磨粒的早期脱落。涂覆刚玉处理的金刚石和立方氮化硼,其增重率一般在40wt%,可按要求任意调整。涂覆后的单颗粒抗压强度可提高12~65%。工业化应用结果表明:经过该工艺处理的超硬磨料,不仅具有镀镍、镀铜超硬磨料的优点,而且克服了它们镀覆成本高及使工具变钝的缺点,使树脂结合剂超硬工具的使用寿命提高 20%,加工效率提高30-35%,大幅度提高工具的性能价格比。其最重要的特性是涂覆处理后的磨料具有了良好的自锐性,明显提高了切削效率。

         

        2.1 技术指标

         

        (1)涂层表面质量 刚玉涂覆处理后的金刚石和立方氮化硼表面呈现出一种浑身长满了小刺的颗粒。刚玉涂层处理后的金刚石表面形态见图4。

         

        (2)涂覆后的增重及镀层厚度 经过涂覆刚玉处理的金刚石和立方氮化硼,其增重率可在8wt%~120wt%内任意调整。而涂层厚度也可随需要进行设计调整,一般在10~30微米(μm)左右。经过大量工业化应用结果表明,采用40%的增重量可以获得最好的使用效果。

         

        所属类别: 行业动态

        超硬磨料