铜_镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究进展_赵紫怡.pdf
《铜_镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究进展_赵紫怡.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铜_镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究进展_赵紫怡.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 45 卷 第 3 期(总第 360 期)电 镀 与 精 饰2023 年3 月铜/镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究进展赵紫怡,王晓丽*,周 鑫(江苏海洋大学 机械工程学院,江苏 连云港 222005)摘要:铜-金刚石复合镀层用于电火花加工的工作电极,可以提高电极在电火花加工中的耐久性;镍-金刚石复合镀层用于硬脆材料的精加工,能提高精度且不损伤材料。本文总结了影响镀层性能的诸多因素,分析了铜/镍-金刚石复合电沉积研究现状,介绍了旋转式电极的复合电沉积发展进程,采用旋转圆柱电极方式的复合电沉积工艺可以细化晶粒,抑制边缘效应,提高镀层质量。因此,铜/镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积的研究将有利于旋转
2、刀具镀层的制备,发展前景广阔。关键词:铜/镍-金刚石;旋转圆柱电沉积;微型铣削刀具中图分类号:T19文献标识码:A Research progress of Cu/Ni-diamond rotating cylinder composite electrodepositionZhao Ziyi,Wang Xiaoli*,Zhou Xin(School of Mechanical Engineering,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222005,China)Abstract:Cu-diamond composite coating is used f
3、or working electrodes to improve its durability in electrical discharge machining,while Ni-diamond composite coating is used for finishing hard and brittle materials to improve the accuracy without damaging the material.In this paper,the factors affecting the coating performance were summarized,the
4、research status of Cu/Ni-diamond composite electrodeposition was analyzed,and the development process of composite electrodeposition of rotating electrode was introduced.The composite electrodeposition process using the rotating cylinder electrode method can refine the grains,suppress edge effects,a
5、nd improve the coating quality.Therefore,the study of Cu/Ni-diamond rotating cylinder composite electrodeposition will be conducive to the preparation of rotating tool coating and has bright prospect.Keywords:Cu/Ni-diamond;rotating cylinder electrodeposition;micro-milling tool随着科学技术的进步和生活质量的提升,手机、平板
6、电脑等智能装置已成为必需品,人们对高性能和高质量的智能装置的需求也与日俱增。由于能兼顾质感、良率、成本适中且能大规模量产,钢化玻璃成为智能装置屏幕的理想材料。钢化玻璃经过激光加工成型后需要微型刀具进行表面修整及尺寸公差修正,由于钢化玻璃材料坚硬、易碎且难加工,因此在加工过程中会产生裂纹和断裂。钢化玻璃是硬脆doi:10.3969/j.issn.1001-3849.2023.03.011 收稿日期:2021-06-21 修回日期:2021-07-04 作者简介:赵紫怡(1988),女,硕士研究生,email: 通信作者:王晓丽(1978),副教授,email: 基金项目:江苏省研究生科研创新实践
7、活动项目(KYCX21-3141);江苏省海洋资源研究院(连云港)开放课题(JSIMR202022);连云港市“海燕计划”项目。75Vol.45 No.3 Serial No.360Plating and FinishingMar.2023材料的一种,传统的硬脆材料微铣削加工刀具耐磨性差,使用寿命短,如何延长刀具的使用寿命是研究的重要课题。如果采取一些技术手段来增强修整刀具的表面力学性能,提升刀具的使用寿命,将在提升工件质量的同时,大幅降低成本。为了减少裂纹形成并获得高表面质量,在刀具表面涂覆韧性金属基体的硬质颗粒是一种很好的解决方案。在制造精密光学玻璃组件的微磨削技术中,轮廓磨削有两个过程,
8、先用粗糙工具去除大块材料,颗粒尺寸一般为1020 m;然后,再用精加工工具去除粗糙工具留下的表面损伤,并将表面精加工至最终形状,颗粒一般为24 m。因为较小的磨料限制了切削进给的深度,第二个过程通常需要多次加工,这与钢化玻璃的微加工过程类似。电火花技术可以加工难切削材料,容易获得所需的形状和尺寸,从而提高加工效率和尺寸精度。然而,电极刀具的急剧损耗严重影响了电火花加工的精度和效率。电火花加工的加工精度主要取决于保持电极形状的能力,而电极的材料特性是影响加工精度的主要因素。铜通常用作电极材料,由于难以去除碎屑,铜电极磨损严重。虽然黄铜稳定性好,易于加工,但是放电磨损率仍然很高。在普通黄铜电极加工
9、过程中,随着加工时间的增加,电极刀具入口的磨损长度增加,绝对放电磨损量增加;同时,排出的碎屑积聚并增加,工作液无法迅速将其从排出间隙中排出,因此二次放电的概率增加,从而增加电极损耗,产生加工斜率,并影响加工精度。为了降低放电磨损率,提高加工质量,可以制备复合多层镀层电极。大多数加工刀具为回转体,刀具镀层有两个主要失效问题,第一、金刚石颗粒在镀层中的复合量低且不均匀;第二、镀层对金刚石以及镀层与底材的结合力不强。如果能够通过适当改善的刀具表面性质,将可大幅减少由于金刚石颗粒的脱落所带来的失效问题。对金属基与金刚石的复合电沉积材料而言,长期使用寿命取决于镀层和底材的结合力、镀层对金刚石的结合力和镀
10、层表面的强度、硬度及耐磨性的强弱1-3,当然整体结合性的好坏是运用的重要基础。钢化玻璃只代表硬脆材料的一种类型,相关的应用也可推展至精密的陶瓷加工和放电加工的电极材料,将来也可运用到各种抗磨耗、抗腐蚀的大型金属材料结构表面。复合电沉积是一种将不溶性固体颗粒(如有机、无机或金属颗粒)添加到普通镀液中并使其在镀液中完全悬浮,在金属离子阴极还原的同时,将颗粒吸附或包覆与金属共沉积制备镀层的一种技术4-5。此技术将颗粒独特的物理及化学性能赋予镀层,使镀层具有耐腐蚀、耐磨、高硬度、导电、耐高温氧化、耐划伤等优异性能。复合电沉积技术具有操作温度低、成本低、镀层质量好、成品率高、镀层成分多样化等特点4。铜具
11、有良好的延展性、导热性和导电性,但纯铜抗拉强度低,耐磨性差,在恶劣环境中腐蚀速率高。镍硬而有延展性,不易锈蚀,主要用于电镀工业。掺杂增强相可以提高铜基镀层的耐蚀性和耐磨性6。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的材料,具有高硬度、高强度、高耐磨性、线膨胀系数小和耐腐蚀性好等优异的理化性能,是砂轮、磨头、地质钻头、扩孔器、内外切割片、铰刀和线锯等专用工具7,广泛于应用机械、电子、建筑、钻探和光学玻璃加工等工业领域。例如,镀镍金刚石线锯用于切割贵重晶体、镀镍金刚石用于生产超薄切割刀片等8。镍-金刚石镀层能提高材料的耐磨耐蚀性,多用于微铣削刀具表面。铜-金刚石镀层能提高材料的导热性,多用于MEMS电路板
12、或放电加工电极。Wu等人9制备了高导热系数和低热膨胀系的铜-金刚石镀层。1铜/镍-金刚石的复合电沉积由于金刚石颗粒的硬度较高,加工对象强化玻璃坚硬而脆,为了防止玻璃在加工过程中碎裂,与金刚石共沉积的基体金属需要具有一定的韧性,吸收加工过程中的变形和振动,提高加工良率。铜和镍具 有 较 好 的 韧 性 和 硬 度,所 以 它 们 是 较 好 的选择10-11。镀层中嵌入的金刚石颗粒含量及分布均匀性对镀层性能有重要的影响。而颗粒特性、镀液组成、工艺条件都将影响镀层中的金刚石颗粒含量及分布。国内外学者对颗粒特性、镀液组成、工艺条件作了大量且深入的研究。颗粒尺寸对沉积量影响较大,粒径过大或过小均不利于
13、沉积,粒径分布范围要尽量小,不同的颗粒有适合其沉积的粒径范围12。Sharp等人13研究了不同尺寸金刚石颗粒(24、48、612、1015 m)的影响,发现金刚石颗粒大于 15 m,会增加表面粗糙度和损坏接触表面;而金刚76第 45 卷 第 3 期(总第 360 期)2023 年3 月电 镀 与 精 饰石颗粒尺寸小于 1 m,则抑制了材料的摩擦学性能,易造成团聚,影响镀层质量。因此,金刚石颗粒的最佳粒径为 3 m,不仅可以提高与基材的结合力,也可以增强耐磨性。马如龙等人14通过实验确定了铜-金刚石复合电沉积的优化镀液组成和工艺参数为 CuSO45H2O 190 g/L,H2SO4 60 g/L
14、,阴极电流密度10 A/dm2,金刚石颗粒浓度20 g/L,镀液温度20;高龙等人15对添加剂体积分数、金刚石颗粒质量浓度和电流密度进行研究,研究结果表明:添加剂体积分数为 0.8 mL/L 时,金刚石颗粒复合量最佳;镀液中金刚石颗粒质量浓度在 2.540 g/L 范围,金刚石颗粒复合量不断增加;电流密度提高至5.07.0 A/dm2时,金刚石颗粒复合量达到最佳。王晓丽等人16研究了 pH和温度对镀层性质的影响,得出了优化的工艺条件为:pH=1、温度40 oC。杜楠等人17采用复合电沉积技术制备镍-金刚石复合镀层,测定了金刚石微粒在电极上的附着率和金刚石微粒与新生镍间的界面作用力,研究了电流密
15、度、搅拌强度及方式、微粒粒径等工艺参数对复合量的影响。结果表明:金刚石微粒进入镍镀层所需要的滞留时间极短,在此过程中界面作用力是主要因素而非简单的几何形状的锁定或机械啮合作用,同时间歇搅拌可提高复合量。Huang等人18的实验发现磁场对镀层的生长具有有益的影响。周海飞实验结果表明:镍-金刚石复合电沉积于搅拌强度在 440480 r/min 时具有更大的阴极极化、更大的法拉第电阻及更低的双电层电容,致使微粒具有更高的电泳速度19。刘美华等人15-20等的实验结果表明:双脉冲电沉积制备的镀层性能好于直流电沉积制备的镀层。总体来说,各个因素的影响均有一定关联性,各因素之间相互影响、促进、制约,只有良
16、好配合才能达到理想的效果20;而且很多因素对复合电沉积的影响呈抛物线状,过大或过小均不利于沉积,适中的参数范围才能得到最佳的镀层。其他学者也进行了相关的研究,并取得相当正面的结果。Wei等人21采用复合电沉积技术,工艺条件为金刚石平均粒径0.6 m,金刚石浓度10 g/L,电流密度2 A/dm2,温度30 oC,搅拌速度300 r/m,在铝基材上制备铜-金刚石复合镀层,沉积5 h后,剥离镀层并进行分析,发现镀液中加入次微米级金刚石颗粒后,铜颗粒的生长模式和尺寸发生变化,铜颗粒的择优取向由(220)向(200)转变。通过对阴极过电位的分析,发现在电沉积纯铜过程中,铜平面(220)阴极过电位保持不
17、变,而铜平面(200)则趋于减小,得到铜平面(200)有利于次微米金刚石的沉积的结论。Huang等人22选择典型的非导电金刚石和导电二硫化钼,在 200 r/min 磁石搅拌下,以铜作阴极,316不锈钢作阳极,用粒径 12 m的金刚石颗粒,使用电泳沉积制备高颗粒含量的镍-金刚石镀层。研究了镍-金刚石镀层的表面形貌、颗粒含量和硬度;通过测量磨球材料去除率,进行了磨耗实验,评估其抗磨耗性能,发现金刚石含量的增加提高了镀层的硬度和耐磨性,也增加了磨球的磨耗量。Awashi等人利用电泳沉积技术在铜基材沉积镍-金刚石,用粒径3 m 的金刚石颗粒进行试验,分析了不同浓度金刚石颗粒(2.510 g/L)的镀
18、层表面形貌,并用Voronoi Tessellation方法分析了金刚石颗粒的均匀分布,进行了微磨损和微划痕试验,确定了最佳浓度为7.5 g/L,制备了具有耐磨性能高和损伤容限大的镀层23。Wang等人24提出一种微米级金刚石磨具,工艺过程如图1所示。先在黄铜基体电镀纯铜,然后将镍和金刚石共沉积。研究了电流密度,搅拌速度和镀液中金刚石浓度对镀层机械性能的影响。发现随着电流密度,搅拌速度和电解液中金刚石浓度的增加,镀层中金刚石含量先增加后降低,当工艺参数为:200 rmin,1.33 A/dm2,10 g/L,镀层最致密、均匀,镀层的硬度和耐磨性提高了,工件的粗糙度降低了。磨损测试的结果表明没有
19、涂料转移到玻璃球上,这意味着该涂料没有污染玻璃材料。独特的压入机制可保护金刚石的脱落,从而延长工具的使用寿命。镀层的回弹机理在玻璃的机械加工过程中可以避免脆薄玻璃的碎裂。同时,采用电沉积技术在黄铜基体上沉积多层膜,降低了放电加工中电极的放电磨损率并提高使用寿命。使用粒径为24 m的金刚石颗粒,通过(电极的疤痕长度与加工长度)与切割宽度在工件上的对准度之比来评估放电加工质量。在铜镀层中掺入金刚石颗粒显著增强了耐腐蚀性,并降低了黄铜电极的放电磨损率,还有利于保持放电加工工件的切割宽度。与高温高压方法相反,为制备复合镀层提供了一种经济的选择25。王昱开等26采用不同工艺对不锈钢基体电镀镍-金刚石,获
20、得镀层均匀、细致,样片的热震、锉磨和刮磨试验结果表明,镀层结合力、颗粒固结强度、颗粒分布77Vol.45 No.3 Serial No.360Plating and FinishingMar.2023均匀性等均符合超硬材料行业电镀制品检测标准。2旋转式电极的复合电沉积图 2 给出了旋转圆柱电极的发展过程29。以前,旋 转 圆 柱 电 极(Rotating Cylinder Electrode,RCE)并不像平板式电极和旋转圆盘电极(Rotating Disk Electrodeposition,RDE)那样广为人知。1954年,Eisenberg27采用旋转圆柱电极研究离子质量转移和浓度极化。
21、1974 年,Gabe 综述 RCE 应用28。1983年,Gabe和Walsh综述RCE发展29。1993年,许文林研究了旋转圆柱电极的特性并用于有机电化学合成,实验表明:在旋转圆柱电极电化学反应器中对氨基苯酚的产率可达80%以上,而静止圆柱电极仅为50-60%左右30。1998年,Gabe综述RCE进一步发展31。2004 年,Silveman 综述 RCE 腐蚀32。2005年,Low将旋转圆柱电极用于电沉积,把旋转电极分为4种类型,单电极,粗糙电极,双电极和其他电极28 33。介绍了旋转圆柱赫尔槽(Rotating Cylinder Hull,RCH)装置,如图3所示,其中两种使用带有
22、RCE的偏置圆盘/圆柱辅助电极或锥形电极,WE表示工作电极,CE为辅助电极。CE分别代表偏置圆柱(a,d)、偏置圆盘(b)和圆锥电极(c),WE为圆锥电极(d)。设计的目的是研究非均匀电流密度下的电沉积,即单一实验中,电流密度为变量。这些设计有些共同点,即在受控的流体动力学条件下,可以在RCE上实现非均匀的电流分布,因此,在一次实验中,在大的电流密度范围内,可以沉积在单一的金属、合金、复合材料或多层材料上。同时,总结了RCE装置可能出现的故障情况33。自此人们开始研究旋转圆柱复合电沉积,目前关于这方面的研究还很少。图1铜/镍-金刚石旋转圆柱复合电沉积过程示意图24Fig.1Schematic
23、diagram of Cu/Ni-diamond rotating cylinder composite elrctrodeposition process24图2旋转圆柱电极发展时间图Fig.2Development time diagram of rotating cylindrical electrode78第 45 卷 第 3 期(总第 360 期)2023 年3 月电 镀 与 精 饰2007年,Chang研究了电流效率与RCE转速之间的关系34。Rivera研究了四板、六板和同心圆柱作为电极对RCE质量传输特性的影响。实验表明电极的形状和尺寸都会影响质量传输特性,其中,四板装置的b值
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 金刚石 旋转 圆柱 复合 沉积 研究进展 赵紫怡
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。