CN104290199B - 具有复合结构镀层的金刚石切割工具及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合结构镀层的金刚石切割工具，包括基体和刀刃层，所述刀刃层包括固接有超硬粗粒的复合结构镀层，所述复合结构镀层包括下层的电沉积金属层和上层的高耐磨层，所述高耐磨层内固接有超硬细粒；其制作方法是以电镀金刚石工具为基础，在电镀金刚石工具基础上复合高耐磨层，组成具有复合结构的金刚石工具镀层。本发明的刀刃层在高耐磨层的保护下，不会因在使用过程中部分超硬粗粒的脱落导致金刚石工具很快失效，有效的延长了金刚石工具的使用寿命，对柔性金刚石工具效果尤为突出，同时可用于金刚石工具失效后的补强手段，有效延长金刚石工具的使用寿命。

Description

具有复合结构镀层的金刚石切割工具及其制作方法

(一)技术领域：

本发明涉及切削工具，具体是一种具有复合结构镀层的金刚石切割工具及其制作方法。

(二)背景技术：

金刚石工具主要用于加工硬脆材料(如：蓝宝石、特种陶瓷、单晶硅、宝玉石等)。其中使用寿命是衡量金刚石工具的重要指标，金刚石工具的失效主要以金刚石刀刃层的磨损脱落失效、基体强度不够断裂失效为主。根据调查和实验结果表明，金刚石工具失效的方式往往是从最薄弱点开始，当金刚石刀刃层在某一点出现金刚石颗粒脱落时，很快整个镀层将从颗粒脱落点附近开始连续脱落，并最终导致整个工具失效。实际调查发现，当最薄弱点开始脱落时，往往镀层的绝大部分还完好无损，金刚石颗粒完好，锋利。若能够强化该薄弱点，整个金刚石工具的使用寿命将大大延伸，宝贵的金刚石颗粒的使用率也将大大提高。

金刚石工具所加工的材料，基本为硬脆材料，而金刚石工具多为电镀方法制备。在加工过程中产生的细小超硬颗粒，其硬度远高于镀层金属硬度，此时，当金刚石颗粒脱落后，切割过程产生的超硬颗粒反向研磨镀层金属，镀层金属很快被磨耗殆尽，导致附近金刚石颗粒把持力不够，进一步脱落，很快从一个点扩展开来，在高速切割超硬材料过程中，扩展速度更快，很快会由于一个点的失效导致整个金刚石工具失效，严重时，甚至会磨损到基体，引起金刚石工具基体强度不够导致断裂。同时，连续分布的金刚石工具在切割过程发生金刚石脱落会影响切割材料的表面质量，对于加工要求较高的晶体材料，会因此导致废品的出现，造成巨大的损失。

镀层脱落对于柔性金刚石工具(如：金刚石线锯，环形金刚石线锯，环形金刚石带锯等)在高速切割硬脆材料的影响最为显著，以环形金刚石线锯为例，直径为0.5mm环形金刚石线锯以20m/s的线速度切割6英寸蓝宝石晶体时，当线锯在某一点出现颗粒脱落后，一般在半小时内线锯磨损断裂，线速度更快时，断裂时间更短。

上述问题，是由于金刚石工具在制作过程中存在缺陷，该缺陷往往成为金刚石工具最薄弱的地方，也是金刚石工具使用寿命的控制点。

(三)发明内容：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，制作方便，能够有效强化薄弱点，提高使用寿命的具有复合结构镀层的金刚石切割工具及其制作方法。

能够解决上述技术问题的具有复合结构镀层的金刚石切割工具，其技术方案包括基体和刀刃层，所述刀刃层包括固接有超硬粗粒的电沉积金属层，与现有技术不同的是所述电沉积金属层上涂镀有高耐磨层，所述高耐磨层内镶嵌有超硬细粒；电沉积金属层和高耐磨层形成刀刃层的复合结构镀层。

上述结构中，所述高耐磨层主要起保护和把持超硬粗粒的作用，防止加工过程产生的超硬颗粒反向磨削电沉积金属层。

为达到理想的切割和抗磨效能，选择粒径≧200μm的超硬粗粒，选择粒径≦50μm的超硬细粒。

为达到对超硬粗粒的包镶要求，所述高耐磨层的厚度可在30μm～40μm之间选择。

所述超硬粗粒和超硬细粒可选用金刚石、或选用聚晶立方氮化硼(PCBN)、或选用其他超硬颗粒，或混合使用。

所述超硬粗粒和超硬细粒优选金刚石。

可根据切割条件选择刀刃层为连续分布、或为间断分布、或为非规则分布。

所述电沉积金属层优选镍或镍钴合金。

能够解决上述技术问题的具有复合结构镀层的金刚石切割工具制作方法，采取了如下的工艺步骤：

1、超硬粗粒和超硬细粒的表面预处理。

将所需超硬粗粒和超硬细粒置于碱性溶液中去除表面油脂后，用清水洗涤，然后置于体积比为3:1的浓盐酸与浓硝酸中，去除超硬粗粒和超硬细粒表面的金属氧化物后，用清水洗涤。

2、超硬粗粒和超硬细粒表面阳离子化。

将第1步处理后的超硬粗粒和超硬细粒置于阳离子型表面活性剂溶液中，对阳离子型表面活性剂溶液施加0.1～0.2V的正电位，阳离子型表面活性剂的阳离子在电泳的作用下，在超硬粗粒和超硬细粒表面形成一层带有正电荷的薄膜。

3、采用埋沙法在基体上电镀电沉积金属层，并将表面阳离子化的超硬粗粒均匀固结在电沉积金属层内。

4、连续搅拌镀液使超硬细粒呈悬浮状态，在电沉积金属层上电镀沉积高耐磨层，并将表面阳离子化的超硬细粒均匀镶嵌在高耐磨层内；至此，电沉积金属层和高耐磨层共同形成刀刃层的复合结构镀层。

所述电沉积金属层电镀的工艺参数选择为：电流密度在0.8A/dm²～1.0A/dm²之间，温度为45±5℃；所述高耐磨层电镀的工艺参数为：电流密度在0.5A/dm²～0.6A/dm²之间，温度为45±5℃。

所述电沉积金属层优选以氨基磺酸镍为主盐的镍或镍钴合金。

所述超硬粗粒的粒径选择≧200μm，所述超硬细粒的粒径选择≦50μm。

为达到对超硬粗粒的包镶要求，所述高耐磨层的厚度在30μm～40μm之间选择。

本发明的有益效果：

1、本发明是用电镀的方法分两个独立的复合电镀过程制作金刚石工具，沉积金属(一般为镍或者镍钴合金)两个过程彼此独立，互不影响，具有模块化特点。

2、本发明在原本的电镀金属层外添加了高耐磨层，有效的保护了把持金刚石颗粒的镀层受到切割颗粒的反向研磨，有效延长了金刚石工具的使用寿命。

3、本发明可对镀层进行整体强化，也可以对薄弱点单独强化，强化效果良好，有效的解决了金刚石工具制备不均匀带来的短板问题，保护薄弱环节，提高金刚石工具刀刃层的利用率，延长使用使用寿命，降低切割成本。

4、本发明是在原本电镀金刚石工艺的基础上加上后续步骤，操作简单，方便，不对原工艺产生影响。

5、本发明可根据金刚石工具的加工特点灵活变化，可根据不同切割需要选取不同粒度的颗粒匹配，选取不同的涂镀方法，甚至可以使用涂层混合超硬骨料制备高耐磨层。

6、本发明中将超硬颗粒材料的超硬特性和超耐磨特性结合到了一起，充分发挥了超硬材料的特性。

7、本发明针对的是金刚石工具的共性问题，技术可做适当变化运用于目前绝大部分金刚石工具制备环节中，有助于改善金刚石工具的制备技术。

8、本发明尤其适用于高速切割的柔性金刚石工具(金刚石线锯、环形金刚石线锯、金刚石带锯等)，具有工艺简单，效果显著的特点。

9、本发明中，通过复合处理后的金刚石线锯的使用寿命将大大增加，一般使用寿命能够延长2～3倍。

10、通过本发明制备的复合结构正好补强了缺陷，强化最薄弱环节，有效避免了“木桶原理”带来的困扰，延长了金刚石工具的使用寿命，提高了金刚石工具的利用率，保证了加工精度。

(四)附图说明：

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1实施方式中的A处放大图。

图号标识：1、基体；2、刀刃层；3、超硬粗粒；4、电沉积金属层；5、高耐磨层；6、超硬细粒。

(五)具体实施方式：

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明具有复合结构镀层的金刚石切割工具之技术方案，包括基体1和作为切割部分的刀刃层2，所述刀刃层2包括固接有超硬粗粒3的电沉积金属层4，所述电沉积金属层4通过第一次电镀方式附着于基体1上，通过二次电镀方式将高耐磨层5附着于电沉积金属层4上，所述电沉积金属层4为以氨基磺酸镍为主盐的镍或镍钴合金，所述高耐磨层5内镶嵌有超硬细粒6，常规设计中，所述超硬粗粒3露出高耐磨层5，高耐磨层5和电沉积金属层4构成刀刃层2的复合结构镀层，如图1、图2所示。

所述超硬粗粒3和超硬细粒6均可选用金刚石、或选用聚晶立方氮化硼(PCBN)、或选用其他超硬微粒，或两者、三者之间的任意混合搭配选择。

为取得理想的切割和抗磨效果，所述超硬粗粒3粒径的选择≧200μm，所述超硬细粒6粒径的选择≦50μm；进一步的选择，超硬粗粒3与超硬细粒6的粒径之比在2倍以上，通常情况下，当粒径越大时，倍数越小，当粒径越小时，倍数越大。

以金刚石为例，超硬粗粒3的粒径优选为120μm(140#～170#)，超硬细粒6优选的粒径优选40μm(w40)。

为达到对超硬粗粒3的包镶要求，所述高耐磨层5的电镀厚度在30μm～40μm之间选择。

所述具有复合结构镀层的金刚石切割工具之制作方法，可采取如下工艺步骤：

1、选取粒度匹配的超硬粗粒3与超硬细粒6，超硬粗粒3与超硬细粒6优选金刚石颗粒。

2、金刚石颗粒表面预处理。将金刚石颗粒置于碱性溶液(NaOH)中，在70℃的碱性溶液中保温30分钟，去除表面油脂后，用清水洗涤；洗涤干净的金刚石颗粒置于体积比为3:1的浓盐酸(HCl)与浓硝酸(HNO₃)中，浸泡24小时，去除金刚石颗粒表面的金属氧化物后，用清水洗涤。

3、将前述步骤处理后的金刚石颗粒置于阳离子型表明活性剂溶液中，对阳离子型表面活性剂溶液施加0.1～0.2V的正电位，阳离子型表面活性剂的阳离子在电泳的作用下，在金刚石颗粒表面形成一层带有正电荷的薄膜。

4、采用埋沙法，在电流密度为0.8A/dm²～1.0A/dm²(优选1.0A/dm²)，温度为45±5℃(优选45℃)的工艺条件下制备电沉积金属层4(附着于基体1上)，将超硬粗粒3均匀固接于电沉积金属层4内后，用清水洗涤。

5、采用电镀或者电刷工艺，在电流密度为0.5A/dm²～0.6A/dm²(优选0.5A/dm²)，温度为45±5℃(优选45℃)的工艺条件下，当超硬细粒6在电解液中充分搅拌分散(即保持悬浮状态)后施镀，于电沉积金属层4上制备高耐磨层5，超硬细粒6均匀镶嵌于高耐磨层5内。

至此，固接超硬粗粒3的电沉积金属层4和镶嵌超硬细粒6的高耐磨层5共同形成金刚石切割工具之刀刃层2的复合结构镀层，可根据切割条件选择刀刃层2为连续分布、或为间断分布、或为非规则分布。

6、施镀完成后，进行装饰，质检。

一种具体金刚石切割工具(环形金刚石双刃带锯)的实施方案：采用规格为3800mm×8mm×0.2mm的不锈钢带，不锈钢带的两端头焊接成为环形；所述钢带正、反面(内圆周面、外圆周面)的两侧(宽度方向)边缘及边缘外包覆有对称的金刚石镀层，金刚石镀层沿钢带的长度方向(圆周方向)连续分布；带锯制备一次成型，由于周长较长，电流分布不均匀，会出现金刚石颗粒分布不均匀的现象，其中离导电点越远，包镶越弱，金刚石越容易脱落，可在第二次施镀时对薄弱点进行强化。

1、选取3800mm×8mm×0.2mm的不锈钢带，通过无缝焊接技术将不锈钢带的首、尾端焊接成环形，并按照电镀金刚石工具基体的前处理步骤进行处理。

2、选取尺寸大小合适的两种不同粒径(140#～170#和W40)的金刚石颗粒磨料，并进行分步处理：

第一步，金刚石颗粒表面预处理。将所需金刚石颗粒磨料置于碱性溶液(NaOH)中，保持在70℃保温30min，去除表面油脂后，用清水洗涤。

第二步，洗涤干净的金刚石颗粒磨料置于体积比为3:1的浓盐酸(HCl)与浓硝酸(HNO₃)中，浸泡24小时，去除金刚石颗粒表面的金属氧化物后，用清水洗涤。

第三步，金刚石颗粒表面阳离子化。将第二步处理后的金刚石颗粒磨料置于阳离子型表明活性剂溶液中，对阳离子型表面活性剂溶液施加0.1V～0.2V的正电位，阳离子型表面活性剂的阳离子在电泳的作用下，在金刚石颗粒表面形成一层带有正电荷的薄膜。

3、将表面阳离子化的金刚石颗粒(超硬粗粒3)均匀固结在电沉积金属层4内，在钢带边缘上形成单镀层的刀刃层2，并取出清水冲洗干净。其中，所述电镀方式以瓦特型电镀液为电解液，主盐为氨基磺酸镍，阳极为镍丝及镍球，不锈钢带为阴极，在电流密度为1A/dm²，温度为45℃的条件下，浸表面阳离子化的金刚石颗粒采用埋沙法制备。

4、单镀层刀刃层2制备完成后，清洗干净，尽快进入高耐磨层5的制备。

5、将表面阳离子化的金刚石颗粒(超硬细粒6)加入另一槽镀液中，超声分散后，持续搅拌镀液，保证微粒悬浮。

6、将第3步骤表面润湿的环形带锯放入渡槽，浸泡10min后，接通电源。

7、在电流密度为0.5A/dm²～0.6A/dm²，温度为45±5℃的工艺条件下，电沉积金属层4上施镀制备高耐磨层5，从而形成具有复合镀层的刀刃层2。

8、制备完成后进行装饰和质检。

Claims (2)

1.具有复合结构镀层的金刚石切割工具，包括柔性基体(1)和刀刃层(2)，所述刀刃层(2)包括固接有超硬粗粒(3)的电沉积金属层(4)，其特征在于：所述电沉积金属层(4)为以氨基磺酸镍为主盐的镍或镍钴合金，所述电沉积金属层(4)上涂镀有高耐磨层(5)，所述高耐磨层(5)内镶嵌有超硬细粒(6)，电沉积金属层(4)和高耐磨层(5)形成刀刃层(2)的复合结构镀层；所述超硬粗粒(3)的粒径≧200μm，所述超硬细粒(6)的粒径≦50μm；为达到对超硬粗粒(3)的包镶要求，所述高耐磨层(5)的厚度为30μm～40μm，所述超硬粗粒(3)和超硬细粒(6)均为金刚石、或为聚晶立方氮化硼。

2.具有复合结构镀层的金刚石切割工具制作方法，其特征在于采取如下工艺步骤：

①、粒径≧200μm的超硬粗粒(3)和粒径≦50μm的超硬细粒(6)的表面预处理，将所需超硬粗粒(3)和超硬细粒(6)置于碱性溶液中去除表面油脂后，用清水洗涤，然后置于体积比为3:1的浓盐酸与浓硝酸中，去除超硬粗粒(3)和超硬细粒(6)表面的金属氧化物后，用清水洗涤；

②、超硬粗粒(3)和超硬细粒(6)表面阳离子化，将第一步处理后的超硬粗粒(3)和超硬细粒(6)置于阳离子型表面活性剂溶液中，对阳离子型表面活性剂溶液施加0.1～0.2V的正电位，阳离子型表面活性剂的阳离子在电泳的作用下，在超硬粗粒(3)和超硬细粒(6)表面形成一层带有正电荷的薄膜；

③、采用埋沙法在柔性基体(1)上制备电沉积金属层(4)，所述电沉积金属层(4)为以氨基磺酸镍为主盐的镍或以氨基磺酸镍为主盐的镍钴合金，并将表面阳离子化的超硬粗粒(3)均匀固结在电沉积金属层(4)内，所述电沉积金属层(4)的工艺参数为：电流密度为0.8A/dm²～1.0A/dm²，温度为45±5℃；

④、连续搅拌镀液使超硬细粒(6)呈悬浮状态，在电沉积金属层(4)上电镀沉积高耐磨层(5)，并将表面阳离子化的超硬细粒(6)均匀镶嵌在高耐磨层(5)内，为达到对超硬粗粒(3)的包镶要求，所述高耐磨层(5)的厚度为30μm～40μm，电沉积金属层(4)和高耐磨层(5)共同形成刀刃层(2)的复合结构镀层；所述高耐磨层(5)电镀的工艺参数为：电流密度为0.5A/dm²～0.6A/dm²，温度为45±5℃。