1引言
隨著硬脆材料應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)其加工要求也越來(lái)越高，特別是對(duì)單晶硅、寶石等貴重硬脆材料的精密切割加工要求越來(lái)越高。然而，我國(guó)的硬脆材料高效精密切割加工還處在發(fā)展階段，加工效率較低，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。目前，在硅晶體等硬脆材料的切割中主要采用游離磨料線鋸切割技術(shù)，即邊切割邊向鋼絲送帶有磨料的漿液（金剛石或碳化硅漿液）。但是游離磨料線鋸切割技術(shù)具有明顯的缺點(diǎn)：切割效率低，鋸口損耗大，表面粗糙度和面型精度難以控制，漿液回收困難，工作環(huán)境惡劣等等[1].為解決上述問(wèn)題，固結(jié)磨料線鋸的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注，特別是電鍍金剛石線鋸和樹(shù)脂結(jié)合劑線鋸的研究[1-3],但樹(shù)脂結(jié)合劑線鋸的耐磨性和耐熱性不如電鍍金剛石線鋸好。金剛石線鋸是將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒通過(guò)電鍍的方式牢固地把持在鋼絲基體上而制成的一種切割工具。此外，電鍍金剛石線鋸具有切割效率高、鋸切力小、鋸縫整齊、切面光整、出材率高、噪音低，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于加工石材、玻璃等普通硬脆材料，而且特別適合鋸切陶瓷、寶石、水晶等貴重的硬脆材料[4].本文利用復(fù)合電鍍法研究了電鍍金剛石線鋸的制造工藝，并給出了制造電鍍金剛石線鋸的****工藝參數(shù)。
2鋸絲的制備
鋸絲基體采用強(qiáng)度高、柔韌性好的直徑0?3鋼琴絲，金剛石采用英國(guó)DeBeers公司提供的400#的天然金剛石磨料。本實(shí)驗(yàn)制造的電鍍金剛石鋸絲長(zhǎng)度為300mm.
2.1前處理
實(shí)驗(yàn)前要對(duì)基體進(jìn)行前處理。前處理的目的是去掉鋸絲基體上的油污和氧化層，提高基體和鍍層間的結(jié)合力。電鍍金剛石線鋸的前處理工序與普通電鍍的前處理工序基本相同。
先用400#的砂紙將基體表面較厚的氧化皮磨掉；再用金屬清洗劑配制的堿液煮沸30min,除去基體表面的油污；然后將沖洗干凈的鋼絲放到10%的鹽酸溶液浸蝕5min,除去基體上殘留的氧化皮和銹；最后用去離子水清洗干凈。
磨料選擇400#的金剛石，磨粒直徑為38μm.金剛石在使用之前要經(jīng)過(guò)磁選處理，金剛石由于有磁性包裹體的存在，在電鍍中容易引起鎳瘤，因此在電鍍前應(yīng)用磁鐵將磁感應(yīng)較大的金剛石除去。水對(duì)金剛石的浸潤(rùn)性較差，由于界面張力的作用，使金剛石在鍍液中漂浮，影響上砂，所以在上砂前要對(duì)金剛石使進(jìn)行堿洗和酸洗，以提高金剛石的親水性，還能除去金剛石表面的雜質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)采用的處理方法為：將金剛石磨料放入NaOH溶液中煮沸10min,除去金剛石表面的油污；再放入濃HNO3溶液中浸泡24小時(shí)，去除表面雜質(zhì)，同時(shí)使金剛石表面變得粗糙，達(dá)到親水目的；最后用去離子沖洗后用鍍液浸泡以備使用。
2.2鍍液的成分及電鍍?cè)O(shè)備
實(shí)驗(yàn)選用瓦特型鍍液進(jìn)行電鍍金剛石線鋸
實(shí)驗(yàn)在自制的電鍍?cè)O(shè)備上進(jìn)行，電鍍電源采用HY1711型直流電源，電壓和電流分別可在0-30V和0-1?2A的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。為提高電流調(diào)整的精確度，串聯(lián)一個(gè)0-500mA的電流表。電鍍時(shí)采用水浴加熱，電鍍槽用4mm厚的硬PVC板制成，電鍍槽尺寸為400mm×150mm×200mm.砂槽使用1mm厚的硬聚氯乙烯板，用樹(shù)脂膠粘結(jié)而成，要求越小越好，但又必須保證基體在砂槽中放置時(shí)與砂槽內(nèi)壁保持2-3mm左右。砂槽尺寸為300mm×30mm×35mm.砂槽個(gè)表面盡可能多的鉆上直徑為3mm的小孔，打磨平后將400#尼龍網(wǎng)用膠粘在砂槽內(nèi)壁。采用四條穩(wěn)固的PVC腳腿支起砂槽，使其不與電鍍槽底直接接觸，以增加透氣性。鍍液溫度為35℃，鍍液溫度由TDA系列溫度顯示調(diào)節(jié)儀控制。鍍液的PH值為4.5.
鋸絲基體經(jīng)過(guò)前處理后可以進(jìn)行預(yù)鍍鎳，預(yù)鍍的目的是為了在基體與金剛石之間增加一個(gè)過(guò)鍍層，增加鍍層與基體的結(jié)合力。鍍層與基體的結(jié)合力是影響工具壽命的重要因素，鍍層結(jié)合力大小與預(yù)鍍電流密度的大小有密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)1為預(yù)鍍電流密度對(duì)鋸絲鍍層結(jié)合力的影響。實(shí)驗(yàn)采用的預(yù)鍍時(shí)間為30min,電流密度分別為0.5A/dm2、1A/dm2、1.5A/dm2、2A/dm2,然后將鋸絲纏繞在直徑為20mm的圓柱上觀察鍍層的裂紋與剝離現(xiàn)象，來(lái)評(píng)價(jià)鍍層與基體的結(jié)合力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)1確定了****預(yù)鍍電流密度。
實(shí)驗(yàn)2為鍍層厚度與時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用的電流密度為1.5A/dm2,預(yù)鍍時(shí)間分別為10min、20min、30min、40min、50min,通過(guò)實(shí)驗(yàn)2得出了鍍層厚度與時(shí)間的關(guān)系曲線，從而確定了預(yù)鍍時(shí)間。
2.4上砂
經(jīng)過(guò)預(yù)鍍之后就可以進(jìn)行上砂了，上砂是把剛石磨粒電鍍到預(yù)鍍的鎳鍍層上，是電鍍金剛石線鋸制作中最關(guān)鍵的一步。上砂一般分為埋砂法和落砂法。埋砂法是將鋸絲基體埋入砂槽中，輕輕晃動(dòng)砂槽使金剛石磨料與鋸絲基體緊密接觸，確保上砂均勻。落砂法是采用攪拌的方法使金剛石磨料懸浮在鍍液中對(duì)鋸絲基體進(jìn)行上砂的方法。由于不銹鋼絲基體為圓柱形，落砂法很難保證在鋼絲表面均勻地沉積金剛石磨料，所以實(shí)驗(yàn)采用埋砂法。
影響金剛石密度的因素有上砂電流密度及上砂時(shí)間。當(dāng)上砂時(shí)間為20min時(shí)，改變陰極電流密度，研究陰極電流密度對(duì)鋸絲表面金剛石磨料密度影響。上砂電流密度分別為0.5A/dm2、1?0A/dm2、1?5A/dm2、2?0A/dm2、2?5A/dm2,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了金剛石磨料分布均勻的****上砂電流密度。當(dāng)上砂電流密度為2?0A/dm2時(shí)，通過(guò)改變上砂時(shí)間得出金剛石磨料分布均勻的****上砂時(shí)間，實(shí)驗(yàn)采用的上砂時(shí)間分別為20min、30min、40min、50min.
2.5加厚
上砂后，便可進(jìn)行加厚。加厚就是隨著電鍍時(shí)間的加長(zhǎng)，使鍍層沉積到一定的厚度。理想的厚度是將金剛石粒徑的2/3埋在鍍層里。在1?5A/dm2的電流密度下，按時(shí)間公式計(jì)算出理論加厚時(shí)間為
式中t---電鍍時(shí)間（h）
δ---鍍層厚度（對(duì)于電鍍金剛石來(lái)說(shuō)厚度取金剛石顆粒的平均粒徑mm）
γ---金屬比重（對(duì)于鍍鎳取8.8g/cm3）
Dk---電流密度（一般取1.5A/dm2）
η---電流效率（鍍鎳時(shí)取95%）
K---電化當(dāng)量（鎳的電化當(dāng)量為1.095）
計(jì)算結(jié)果為2h,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)加厚時(shí)間為1?2h時(shí)，得到的鍍層厚度能將金剛石粒徑的2/3埋在鍍層里。理論加厚時(shí)間和實(shí)際加厚時(shí)間差別很大，其原因是金剛石的存在占了總體積的50%左右，因此，縮短了電鍍時(shí)間。
2.6后處理
電鍍結(jié)束后，取出鋸絲用去離子水沖洗干凈，進(jìn)行除氫處理。電鍍過(guò)程中，總會(huì)有H+在陰極上還原為H原子，其中一部分形成H2排出，另一部分則以H原子形態(tài)滲入到基體和鍍層的金屬晶格中，即滲氫。滲氫使晶格歪曲，因此產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，發(fā)生"氫脆"現(xiàn)象。為了預(yù)防電鍍金剛石線鋸在使用時(shí)發(fā)生氫脆現(xiàn)象，電鍍完成后就要立刻進(jìn)行除氫處理，一般是將鋸絲放在烘箱中加熱至200℃并保溫2小時(shí)。
3電鍍工藝參數(shù)對(duì)鋸絲質(zhì)量的影響
3.1預(yù)鍍電流密度及預(yù)鍍時(shí)間
當(dāng)陰極電流密度為0.5A/dm時(shí)，彎曲后鍍層表面產(chǎn)生微細(xì)裂紋，這是因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)低，陰極極化作用小，鍍層結(jié)晶晶粒較粗而導(dǎo)致的。當(dāng)電流密度在1.0-1.5A/dm2時(shí)能夠獲得較好的鍍層結(jié)合力，這時(shí)電流密度使鍍層結(jié)晶細(xì)致緊密，內(nèi)應(yīng)力小，所以彎曲時(shí)無(wú)裂紋和剝落現(xiàn)象。當(dāng)電流密度為2.0A/dm2時(shí)，由于超過(guò)了獲得良好鍍層的電流密度上限，陰極析氫嚴(yán)重使鍍層結(jié)晶不規(guī)律，內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，因此，彎曲后鍍層出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。所以，為了提高電鍍效率，取預(yù)鍍電流密度為1.5A/dm2.
鍍層厚度與時(shí)間的關(guān)系曲線，在開(kāi)始電鍍時(shí)，由于鋼絲基體直徑較小，所以鍍層厚度增加較快，隨著電鍍過(guò)程的進(jìn)行，被鍍件的直徑逐漸增加，因?yàn)殡娏髅芏炔蛔�，所以被鍍件的直徑變化較緩慢，及鍍層厚度增加量逐漸減少。反應(yīng)在圖上即為鍍層增長(zhǎng)厚度的斜率逐漸減小。
預(yù)鍍層厚度一般為1-3μm[5],本實(shí)驗(yàn)獲得的預(yù)鍍層厚度為3μm,由圖3可以看出，電流密度在1?5A/dm2時(shí)，預(yù)鍍時(shí)間為10min.圖4是利用顯微鏡拍攝的此參數(shù)下的鍍層厚度。
3.2上砂電流密度對(duì)上砂金剛石密度的影響
當(dāng)上砂時(shí)間為20min時(shí)，改變陰極電流密度，研究陰極電流密度對(duì)鋸絲表面金剛石磨料密度影響。當(dāng)陰極電流密度為0.5A/dm2時(shí)，金剛石磨粒之間的間隔較大（見(jiàn)圖5a）。當(dāng)陰極電流密度為1.0A/dm2時(shí)，鋸絲表面的金剛石磨料濃度增大，但是分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚狀態(tài)（見(jiàn)圖5b）。當(dāng)陰極電流密度為1?5-2?0A/dm2時(shí)，磨粒濃度沒(méi)有明顯變化，分布均勻（見(jiàn)圖5c、d）。當(dāng)電流密度為2?5A/dm2時(shí)，出現(xiàn)燒焦的現(xiàn)象。
由于鍍層的生長(zhǎng)速度隨著電流密度的增大而增大，當(dāng)電流密度為0?5A/dm2時(shí)，鍍層的生長(zhǎng)速度較慢，部分磨粒在上砂過(guò)程中埋入深度太淺而在卸砂過(guò)程中脫落，因此在復(fù)合鍍層中沉積的磨粒相對(duì)較少。當(dāng)電流密度在1?0A/dm2-2?0A/dm2時(shí)，鍍層中沉積的金剛石數(shù)量基本穩(wěn)定，而且分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)鎳瘤等不良現(xiàn)象。當(dāng)陰極電流密度增加到2?5A/dm2時(shí)，出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，這說(shuō)明已經(jīng)超出了獲得良好鍍層允許的電流密度上限。電鍍質(zhì)量差或難以鍍上金剛石磨料，將嚴(yán)重影響鋸絲的切削能力和使用壽命。因此，上砂電流密度在1.0A/dm2-2.0A/dm2時(shí)，均能獲得質(zhì)量較好的線鋸，為了提高電鍍效率，選用的****陰極電流密度為2.0A/dm2.
3.3上砂時(shí)間對(duì)上砂金剛石濃度的影響
上砂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使金剛石顆粒的密度過(guò)大，并且使金剛石的出刃高度產(chǎn)生較大差別，增大鋸絲直徑。當(dāng)金剛石密度過(guò)大時(shí)，鍍層中鎳的含量將大大減少，甚至金剛石之間產(chǎn)生直接接觸，從而使鎳鍍層對(duì)金剛石的把持力大大降低，金剛石顆粒容易脫落。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)上砂時(shí)間超過(guò)40min時(shí)，金剛石密度會(huì)大大增加。鋸絲上金剛石顆粒分布均勻，鋸絲金剛石密度過(guò)大，部分金剛石顆粒緊密相連，這時(shí)的線鋸切割能力差。因此，****的上砂時(shí)間為20min.
加厚時(shí)間對(duì)金剛石埋入深度的影響加厚時(shí)間不宜太短或太長(zhǎng)。加厚時(shí)間太短，金剛石顆粒埋入鍍層過(guò)少，這時(shí)鍍層對(duì)金剛石顆粒的把持力差，金剛石顆粒容易脫落，如圖7a所示，其加厚時(shí)間為30min.圖7b的加厚時(shí)間為3?5h,從圖片中可以看出，由于加厚時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，部分金剛石顆粒幾乎完全埋入鍍層中，這時(shí)的金剛石線鋸切割能力較差。****加厚時(shí)間為1?2h,由圖可以看出，金剛石磨粒埋入鎳鍍層中的深度合適。按照上述確定的****工藝參數(shù)進(jìn)行電鍍金剛石鋸絲實(shí)驗(yàn)，得出電鍍金剛石鋸絲外觀形貌照片。可以看出，金剛石磨粒分布比較均勻，埋入鍍層深度適中，說(shuō)明了上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)是可行的。
4結(jié)語(yǔ)
本文以直徑為0?3mm的琴鋼絲為基體，選取400#的金剛石為磨料，磨粒直徑為38μm,以瓦特型鍍液為電鍍液，采用埋砂法研制了電鍍金剛石線鋸。實(shí)驗(yàn)表明，所獲鍍層與基體結(jié)合力良好、金剛石磨粒分布均勻的電鍍金剛石線鋸的****工藝參數(shù)為：鍍液溫度為35℃，PH值為4?5,預(yù)鍍預(yù)鍍電流密度為1?5A/dm2,預(yù)鍍時(shí)間為10min,上砂電流密度為2?0A/dm2,上砂時(shí)間為20min,加厚電流密度為1?5A/dm2,加厚時(shí)間為1?2h,在電鍍結(jié)束后將鋸絲放在烘箱中加熱200℃并保溫2小時(shí)
