超薄金刚石切割片电镀成型技术研究

PAGEPAGEIII超薄金刚石切割片电镀成型技术研究摘要本文对一种高效的电镀镍钴超薄金刚石切割片工艺进行了初步研究。通过在不锈钢板上生成一种特殊的化学转化膜，并在其上面沉积镍钴金刚石复合镀层来获得一种无基体式的金刚石切割片。通过加热揭下超薄镀层，并把此镀层夹在法兰盘上使用的切割工具。金属镀层是结合剂,金刚石磨料用于切削加工。本文阐述了镍钴金刚石复合镀层的沉积机理，并通过设计正交试验研究了温度、pH值、电流密度等工艺参数对镍钴及镍钴金刚石复合镀层性能的影响。经过相应的热处理使镀层与基体分离，经冲压整型就可以得到所需规格尺寸的切割片。关键词：金刚石；复合镀层超薄金刚石切割片电沉积技术成型TitleElectronickellingbeultra-thindiamondcuttingpiececraftformularesearchAbstractThisarticlehasconductedthepreliminarystudytoonekindofhighlyeffectiveelectronickellingbeultra-thindiamondcuttingpiececraft.Throughproducesonespecialchemicalconversionmembraneonthestainlesssteelplate,andinitsabovedepositsthenickeldiamondcompositeplatetoobtainonekindofnon-substrate-likediamondcuttingpiece.thenpeeledoffthelayerandused.metalcoatingisboned.Thediamondbrasivewasusedcutting.Thisarticleelaboratedthenickeldiamondcompositeplate'sdepositionmechanism,andhasstudiedtechnologicalparametersandsoontemperature,pHvalue,currentdensitythroughthedesignorthogonaltesttoNiandtheNi-diamondcompositeplateperformanceinfluence.Causescoatingandthesubstrateafterthecorrespondingheattreatmentseparates,mayobtainaftertherammingtrueingneedsthespecificationsizethecuttingpiece.Keywordsdiamond;compositecoating;Hyper-thinDiamondCuttingBlades;electrodeposition;technologyformation目录1引言………………12实验部分………………32.1实验原理……………32.2实验设计方法及实验方案…………52.3电镀实验仪器、材料及工艺配方…………………63电镀液的配制与调整及成分测定…………………73.1镀液的配制与调整…………………73.2镀液的成分测定……………………74金刚石复合电镀镀前处理…………84.1基体处理……………84.2金刚石处理…………95复合电镀工艺过程…………………95.1工艺流程……………95.2电镀工艺过程中的化学反应………95.3主要工序说明………………………106性能测试……………126.1表面形貌观察……………………126.2镀层硬度测试……………………126.3镀层抗拉强度测试………………137综合分析……………137.1实验结果…………137.2实验结果的分析…………………147.3显微图分析………………………177.4相同工艺其他条件与剥离情况…………………19结论……………………20致谢……………………21参考文献…………………22PAGEPAGE191引言金刚石超薄精密切割片广泛用于各种晶体、陶瓷、玻璃及合金、半导体、集成线路、电路板(PCB)行业进行质量监控、失效分析、以及基础材料研究,适用于各种进口与国产精密切割机[1]。它包括圆形基板和置于该圆形基板周边端上的金钢石切割片工作带、超薄金钢石切割片中间为薄的金属碟片载体、周边覆以金钢石切割磨料环。通常用于高速切割操作。工作时还需与碳化硅（SIC）油石和切割冷却液配合使用[2]。单晶硅、多晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。随着电子工业的飞速发展，晶片的应用范围越来越大，晶片加工越来越重视。半导体材料的消耗反映出一个国家IC制造业的规模和工艺水平[3]。在太阳能光伏技术飞速发展的今天，利用硅晶片所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为电能。现在，国外的太阳能光伏技术电站已经到了实际应用阶段，太阳能硅晶片的利用将普及到全世界范围，对其技术加工业正朝着降低硅片厚度的方向发展。电镀金刚石内圆和外圆切割片是切割半导体、宝石、玉器等这种硬脆的贵重材料的最佳工具。单晶硅锗之类的半导体材料，需要切割和研磨加工，使用传统的钢丝锯切割方法效果不佳，而采用电镀切割片锯切，不但效率高，而且切缝窄，材料损耗少。我国在晶片加工技术上还远远落后于发达国家，对晶片切割方面研究很少。金刚石内圆切割片可以对各种尺寸的太阳能用硅材料进行切割，其切削刃即在刀片内径电镀金刚石磨料，是以镍合金为结合剂牢固镶嵌在刀片刃口上，它利用锯片的高旋转和硅棒的径向进给而实现切片加工目的。从大直径单晶硅、多晶硅上切出0.2mm左右厚的合格硅晶片来，常规金刚石内圆切割片已经呈现出较大的弊端：刀片使用是镀层脱皮、金刚石脱粒、过早报废。本文采用先生产工艺使产品具有极高的结合强度。生产的锯片刃口锋利、切割平稳、精度高、寿命长[4]-[6]。近年来在现代加工业特别是半导体制造业对切割片的要求越来越高，厚度最薄的要求在二十微米以下，国内现有的同类型薄型砂轮片一般用粉末冶金的方法制造，但是只能做厚度在200微米以上的砂轮片，国外有用电铸的方法制造切割片，但需把基体在碱性溶液中溶解掉，成本较高，工艺复杂[7]。在集成电路加工划片工序中，需将大晶片分割成具有独立单元的集成电路的小芯片，而所用的加工工具为超薄金刚石切割片。集成电路工业的发展，要求集成度越来越高，高集成度晶片的分割必须使用更薄厚度的切割片，才能达到高准确度，低成本，微加工余量的要求。划片的方法目前主要有两种，一种是激光划片，另一种就是金刚石切割划片[8]。由于激光划片时熔融的硅会在芯片边缘翻转堆砌，给引线键合带来困难，因此，目前硅集成电路加工已不用此法，故目前划片主要是使用金刚石切割片。目前，中小尺寸晶片切割主要采用内圆切割方法，这种方法是在刀片内径点度金刚石磨料作为切削刃。内圆切割技术优点在于：（1）切片精度高，直径为300mm晶片的厚度差仅为0.01mm；（2）切片成本低，同规格的内圆切割片机价格是线切割机价格的1/3--1/4；（3）每片都可以进行晶向调整和切片厚度调整；（4）小批量多规格加工时，具有灵活的可调性。用于集成电路的硅片其加工难度特别高,耗时长达几个星期。晶片表面要经过光刻、掺杂,最终还经过金属化处理,通常这些加工都在绝对清洁的条件下,在某种气体保护下进行,加工温度通常约为1000℃[9]。对加工后的硅片要进行缺陷检查,然后将其粘贴在衬底上,用金刚石切割片按图形切割成几百片(根据硅片的直径而定)[10]。用吸管将切好的硅片取下,放在相应的基体上,然后将接触点的线与线盘端线连接。加了使长达几个星期的加工之后出现的废品尽可能的少,硅片切割所用的金刚石切割片必须达到精度高,工作质量稳定,使用寿命长[11]。目前，传统的金刚石切割片制造方法主要有热压法和电镀法[12]。用传统热压法制造的超薄切割片，由于采用的是多组元单质金属粉末和金刚石混合后热压烧结而成，烧结温度高，对金刚石热损伤大，胎体易氧化，并且在很短的烧结时间内胎体不能达到完全合金化，胎体成分不均匀，切割片质量难以控制，因此市场上尚无用此类方法制造的切割片。现有的超薄金刚石切割片多以电镀法制造为主，从制造技术角度看，电镀法制造的切割片只是电镀金属膜对金刚石磨料起包裹作用，两者之间仅限于机械结合，相对于冷压热压法、熔渗浸渍法及钎焊法等，其间的把持力较差，金刚石磨料与胎体结合弱，磨料容易过早脱落，使用寿命短，刚性和强度低[13]-[15]。如图1.1所示：1是基体，主要起支撑切割作用，2是金刚石胎体，用来切割。基体材料一般是弹簧钢或工具钢。胎体一般是由金刚石单晶和镍复合电镀而成。基体1与胎体2的连接由电镀沉积来实现。此种方法生产的切割片存在如下缺点：胎体与基体在受到强冲击载荷时两者会分离脱落；由于基体很薄（100微米以下），而又要求端面跳动，表面粗糙度、刚度等性能指标较高，所以基体制备成本高，且在极薄的基体上实施敷镀工艺复杂[16]。国外也有采用CVD（化学气相沉积）法制造金刚石多晶薄膜环，然后再焊接于基体上，此方法一定程度上改善了切割片的性能，但化学气相沉积法所需设备价格昂贵，制造工艺复杂，而且金刚石脱落问题及高精度连接问题仍有其不足。图1常规电镀法制造的切割片剖视图图中1-基体，2一胎体本研究的目的在于利用电镀法和化学法相结合，制造一种无基体式金刚石切割片。此种切割片在切割过程中不存在切刃与基体分离现象，所制造的切割片刚性强，强度高，端面跳动小，使用寿命长，成本低且切割精度大大提高，故解决了已有技术中存在的问题。常见的电镀层一般是单纯金属镀层，包括单一金属镀层和均相合金镀层，称为简单镀层。由于单一材料难以满足某些特殊要求,近年来迅速兴起的复合镀层,操作简单、易于控制、生产费用低、能耗少和原材料利用率比较高;与热加工法相比,复合镀层能在一定程度上赋予人们控制材料各方面性能的更大主动性[17,18]。复合镀层具有高的硬度、耐磨性、自润滑性、特殊的装饰外观、以及电接触等功能，为改变和调节材料的机械、物化性能，形成各种功能性复合材料提供了更大的空间。复合镀被认为是当前解决材料高温耐腐蚀、高温强度以及特殊磨损等问题的一种很有前途的方法[19]。因此，复合镀层以其独特的物理、化学、机械性能成为复合材料的新秀,得到广泛的关注,并已经被公认为一种生产技术。采用复合电镀法制备了Ni-Co微米金刚石复合镀层,考察了阴极电流密度、镀液pH值以及搅拌强度对微米复合镀层显微硬度的影响,并分析了Ni-Co微米金刚石复合镀层的共沉积过程。结果表明选择适当的共沉积工艺参数,可以制备出同底材结合牢固,金刚石微粒弥散较均匀的高硬度微米复合镀层,基质Ni-Co中金刚石粒子的含量与镀面的机械俘获粒子的能力有关[20，21]。本文将对微米金刚石镍复合镀层切割片的电镀工艺配方进行详细的研究。2实验部分2.1实验原理2.1.1复合电镀沉积原理复合电镀的一般做法是在电镀溶液中加入不溶性的固体微粒进行电镀，使这些微粒均匀的共沉积在金属镀层中。金刚石颗粒与金属共沉积机理包括电化学机理、吸附机理合力学机理等，目前对镍金刚石复合镀层的形成机理公认有三大步骤：（1）悬浮于镀液中的微粒由镀液深处向阴极表面附近输送。这个过程主要取决于对镀液的搅拌方式和强度，以及阴极的形状和排布情况。（2）微粒粘附于电极上。凡是影响微粒与电极间作用力的各种因素，钧对这种粘附有影响。它不仅与微粒和电极的特性有关，也与镀液成分、性能及电镀操作条件有关。（3）微粒被阴极上析出的基质金属嵌入。粘附于电极上的微粒必须延续到超过一定时间才有可能被电沉积的金属捕获。因此，这个步骤除了与微粒的粘附力有关外，还与流动溶液对粘附于阴极上的微粒的冲击作用以及金属电沉积的速度等因素有关。2.1.2复合电镀实验原理本实验要解决的问题关键在于以下几方面：（1）确定使用的金刚石参数;（2）制备一种特殊的化学转化膜;（3）精确控制刀片厚度≤35μm;（4）刀体表面光滑,不结瘤;（5）必须使刀片具有足够的强度和韧性,保证在超高转速下不打刀、不偏摆,刀口宽度≤50μm。根据以上要求，本实验采用电镀法和化学法相结合,通过在电镀切割片基体上生成一种特殊的化学转化膜，它是电沉积前在阴极基片上制备的特种导电膜。首先，要选择可加工性好，导电性好，表面成膜性好的的底衬材料，一般选不锈钢板；其次，导电膜要有好的导电性，并要防止电沉积材料与基片强力结合，便于镀层的剥离。本方法的制造原理：用金属基板做阴极，电解镍板做阳极，将二极板放入含有金刚石磨料的电镀溶液中，并将阴极接直流电源的负极，阳极接直流电源的正极（如图2.1），当接通电源后，通过搅拌使溶液中的磨料在悬浮状态下与金属离子在阴极上均匀共析，以获得金属与金刚石磨料均匀混合的复合电镀层。当电镀层厚度达到要求后将阴极取出溶液，清洗烘干后再将电镀层与阴极基板通过加热分离，然后用冲模冲制成规格尺寸得到切割片产品。对厚度在100μm以上到500μm的经冲制后再进行表面研磨。图2电镀工艺原理图2.2实验设计方法及实验方案2.2.1实验设计方法利用正交实验设计方法研究镀液中各种组分含量的不同组合方式对镀层综合性能的影响。分别考虑不同的电镀条件即电流密度、温度以及pH值的变化对镀层综合性能的影响。这样只需利用三因素三水平正交实验表即可确定出适宜的电镀工艺条件。正交实验设计的因素水平表如表1所示。表1正交实验因素水平表水平电流密度（A/dm2）pH值温度（oC）11.04.53021.53.53532.03.040正交实验的表头设计如表2。表2表头设计因素A(电流密度)B(pH值)空列C(温度)列号123 42.2.2实验方案本实验的具体实验方案如表3所示。表3正交实验方案试验号AB空列C实验方案11111A1B1C121222A1B2C231333A1B3C342123A2B1C352231A2B2C162312A2B3C273132A3B1C283213A3B2C393321A3B3C12.3电镀实验仪器材料、工艺配方2.3.1实验仪器材料表4实验仪器设备仪器名称型号生产厂家赫尔槽试验设备轻研-3型浙江黄岩电子仪器厂精确电流表C3111—A型上海第二电表厂电子控温继电器KWJ—Ⅲ型郑州发展热工仪表有限公司循环水真空泵DHZ—DⅢ型巩义市英峪华予仪器厂数显显微硬度计MHV2000型上海材料试验机厂制造透反射偏光显微镜长方XPV-800上海长方光学仪器有限公司智能万能材料显微镜增力电动搅拌器精密净化交流文雅电源imgerA1mJB-50D型JJW-3VA型上海标本模型厂制造上海新神仪表厂辅助仪器：自动加热电镀槽、温度计、大小烧杯、量筒、橡胶手套、电子秤、电接点式温度计、天平、涤纶阳极袋。材料：微粉金刚石（5-10μm）、阳极为电解镍板、阴极基体为不锈钢板、若干连接导线、漏网、绝缘漆、尼龙布2.3.2实验药品：硫酸镍，硫酸钴，硼酸，十二烷基硫酸钠，EDTA氨水，双氧水，紫脲酸铵，碳酸钙铬酸钾甘油三酯，氯化银，氯化钠，氯化铵等表5镀液工艺配方及参数试剂含量（g/L）七水硫酸镍（NiSO4·7H2O）230七水硫酸钴（CoSO4·7H2O）20硼酸（H3BO3）30十二烷基硫酸钠（CH3（CH2）3CH3OSO3Na）氯化钠（NaCl）0.115pH值4.1-4.5温度（℃）45-50电流密度（A/dm2）1.0-2.03电镀液的配制与调整及成分测定3.1镀液的配制与调整准备好一套盛电解液的容器和加热过滤装置，并准备好蒸馏水。根据配方计算出电解液中各成分的用量。将计算量的试剂等基础成分分别用蒸馏水溶解，混合在一个溶剂与镀槽相当的容器中。加水至规定体积15L，搅拌均匀然后过滤，或者静置澄清后移入镀槽，若杂质较多时需用双氧水-活性碳调整。溶解硼酸要用较热的蒸馏水，因为硼酸溶解度小。但是，本次试验为了节约成本，我们采用去年用过的镀液，通过滴定管进行滴定，测量出镀液中原本含有的镀液成分量。通过测量，测得原本含量为表6镀液原始含量化学成分含量(g/L)七水硫酸镍（NiSO4·7H2O）197.1七水硫酸钴（CoSO4·7H2O）18.12硼酸（H3BO3）26.8氯化钠（NaCl）18.66然后根据镀液的配方表计算还需添加的化学药品质量。经计算知道还需七水硫酸镍（NiSO4·7H2O）1084.8g,七水硫酸钴（CoSO4·7H2O）82.56g,硼酸（H3BO3）128.4g,g氯化钠（NaCl）1.05g分析并调整镀液成分:测定并调节溶液的PH值，将PH调节到工艺规范值正负0.2的范围内。配置好的镀液电解一段时间后进行试镀常用处理程序：酸化→氧化→碱化→活性炭吸附→过滤（抽真空）→调pH值。酸化：用3%的稀硫酸调pH到2.5；氧化：在镀槽中加热镀液到60℃，再加3ml/L的30%H2O2，搅拌30min；活性炭吸附：在镀液中加入4g/L的活性炭搅拌30min，过滤。3.2电镀液的成分测定3.2.1NiSO4的测定移取5ml镀液于250ml锥形瓶中，加氨水15ml，过氧化氢0.5ml，加热煮沸并摇匀，当有大气泡出现时停止加热。冷却后加水50ml，加紫脲酸氨0.1g，用EDTA标准溶液滴定至棕黄变到紫红色为止。记下EDTA的体积V1。NiSO4=154-87CV1/5(g/L)C—EDTA标准溶液的浓度V1—镍耗用的EDTA溶液的体积3.2.2CoSO4的测定准确移取5ml镀液于250ml锥形瓶中,加氨水10ml,蒸馏水50ml,紫脲酸氨0.1g,用EDTA标准溶液滴定至棕黄变到紫红色为止,记下EDTA的体积V2。CoSO4=155.1C(V2-V1)/5(g/L)C—EDTA标准溶液的浓度V1—镍耗用的EDTA溶液的体积Co--镍钴所用EDTA标准液总体积4金刚石复合电镀镀前处理4.1基体的处理电镀层是超硬材料电镀工具的工作层。电镀层的质量好坏是决定电镀制品成败的关键因素之一。实践表明，电镀生产中所发生的质量事故，大多数并不是电镀工艺本身所造成的，而是基体镀前处理不当的问题。特别是镀层与基体之间的结合力、镀层的平整程度等性能的好坏，与镀前处理更是密切相关。电镀制品基体表面的镀前预处理是保证整个工艺过程获得良好结果的先决条件。金属基体与镀层之间的结合主要有以下三种形式：1、由于基体表面凹凸不平而形成的机械结合；2、电沉积层在基体金属表面上延续生长，并相互扩散，镀层与基体以金属键相结合；3、电沉积层与基体金相结构差异大，不能外延生长形成金属键，但在镀层与纯洁而凭证的基体表面还存在着范德华力的结合。表7基体镀前处理的目的和方法目的方法表面整平机械加工强浸蚀电解抛光除油有机溶剂除油碱液化学除油电化学除油超声波除油除氧化皮及表面不良组织强浸蚀超声波浸蚀除氧化膜弱浸蚀（酸液化学弱浸蚀电化学弱浸蚀）当2、3两种结合形式时，镀层与集体的结合才是牢固的。而要实现这些形式的结合必须采取适当的方法对集体表面认真仔细进行镀前预处理，否则不可能得到合格镀层。镀前处理的工艺流程：机械整平（磨光、抛光）→稀碱液除油(3%金属清洗剂、40～50℃、浸泡)→热水洗→冷水洗→弱浸蚀(HCl)、常温，10s带电)→冷水洗→冷水洗→带电入槽表8化学除油配方：化学成分含量氢氧化钠10g/L磷酸钠25g/L碳酸钠25g/L.op乳化剂4g/L温度45-50时间1min4.2金刚石处理新金刚石处理煮酸(将新使用的金刚石放入烧杯中，倒入30%盐酸浸没)→煮沸30min→冷却(废弃酸液)→冲洗干净→冲洗(洗至金刚石呈中性)→纯水漂洗→储存备用(浸泡镀液中)。用过的金刚石处理回收清理（将回用的金刚石进行干燥过筛）→将金刚石浸泡在硝酸中一昼夜待不冒黄烟表明处理完毕→废弃酸液→水洗→煮酸（同上）→水洗→纯水洗→储存备用5.复合电镀工艺过程5.1工艺流程本实验采用电镀试片基体为不锈钢。具体工艺流程如下：打磨抛光→冷水洗→冷水洗→热风吹干→焊接导线→绝缘处理(涂绝缘漆，涂层薄而均匀，)→化学除油→热水洗→冷水洗→弱浸蚀(W(H2SO4)=25%的硫酸溶液、10～20A/dm2、常温，0.5～1min)→冷水洗→冷水洗→磷化处理→冷水洗→冷水洗→空镀(上砂液、1A/dm2)目视检查→上砂(同槽液、0.5A/dm2、时间由具体工艺参数确定)→清砂(将试片提出液面，用纯净水喷淋或软毛刷轻刷)→加厚（1.5A/dm2）→出槽水洗吹干→加热使切割片与底衬分离→成型加工→托架安装5.2电镀工艺过程中的化学反应电极反应是指发生在电镀溶液与电极两相界面上的电化学反应。整个电极反应过程包括液相传质、前置化学转化、电子转移，后置表面转化，以及新相生成等。阴极反应Ni2++2e=Ni（主反应）Co2++2e=Co（主反应）2H++2e=H2↑（副反应）阳极反应Ni-2e=Ni2+（主反应）2H2O-4e=4H++O2↑（副反应）4Ni+3O2=2Ni2O3(副反应)Cl--2e=Cl2↑(副反应)5.3主要工序说明5.3.1基体的磷化处理(1)化学转化膜及其要求化学转化膜是电沉积前在阴极基片上制备的特种导电膜。其要求是：ａ有较好的导电性,使电沉积过程顺利进行；ｂ防止电沉积材料与基片强力结合,便于镀层的剥离。经过多类试验,结果表明,以奥氏体不锈钢的磷酸盐化学转化膜为最好。(2)磷化处理生成化学转化膜表9磷化处理液工艺配方及参数项目数值草酸（C2H2O4）（g/L）5磷酸(H3PO4)（g/L）15草酸钠(Na2C2O4)（g/L）4磷酸二钠（Na2HPO4）（g/L）10氯酸钠（NaClO3）（g/L）5温度（℃）室温时间（min）405.3.2空镀(1)工件带电入槽,避免产生双性电极现象。(2)工件一次空停时间不宜过长,需要时将工件重放镀液中镀几分钟后再取出继续处理。(3)电流密度不宜过大,否则镀层结晶不规则,与基体结合不牢,使用过程中易脱落。尤其是受镀面积很小的工件,需精确微调电流。使用冲击电流可提高镀液覆盖能力,但要防止镀层烧焦。空镀时间一般为5-10min，为了保证镀层与基体结合良好空镀电流密度不宜过大，一般1A/dm2基体活化后要尽可能迅速入槽，最好带电入槽，在使用落砂法时还可以在开始电镀瞬间使用冲击电流，但是用埋砂法时不建议用冲击电流以免析氢使金刚石与镀层结合不牢。这是一般电镀的处理方法。在剥落电镀片时，需要加热，而加热后的金刚石复合镀层是比较脆的，所以我们就空镀一层镍钴合金薄膜以增加镀片的韧性。5.3.3上砂镀(1)上砂形式采用落砂法：将磨料投入镀液中，利用搅拌机搅拌，使磨料悬浮在镀液中，再在重力作用下已镀好底层的水平放置的基体表面上。经过短时间电镀，随着金属离子电沉积，仅靠基体的一层磨料就被初步镶嵌在基体表面的镀层中。落砂法适用平面件和滚动件(平行磨轮和圆弧磨轮组合后也可进行滚动上砂),一次完成一个面上砂,所需要的砂量少,砂层薄,上砂效率较高,适宜大批量生产。(2)上砂过程中要不断搅拌镀液以使金刚石微粉时刻保持很好的悬浮状态，这样有于防止金刚石微粉沉积到镀槽底部，从而使金刚石微粉在试片表面均匀的分布。掌握上砂电流密度,电流需稳定,切勿过大,避免施镀时冒泡而引起镀层烧焦。(3)工件上砂完毕后,出槽检验是否合格,不合格品有砂子堆积、镍瘤、漏砂等缺陷及时返工,其中漏砂处或砂层过薄可重新补砂。5.3.4加厚镀加厚是在已经上好砂的镀件后进行大电流电镀，从而将镀件加厚。加厚用电流密度一般在1A/dm2以上。加厚镀是电镀各步骤过程中历时最长的一个步骤，一般时间为几十分钟至数小时，随着时间的延长，镀层厚度增加直至达到所要求的厚度为止。加厚过程中需要注意的问题：(1)工件带电入槽,起始电流小于规范值利于固定砂子,逐步将电流升至规范值30min左右。(2)每次增厚都要将磨粒将近埋住,使镀层厚度与磨粒尺寸接近为止。要注意防止每层加厚镀层超过磨粒尺寸,否则各层之间将形成一个不含磨料的金属镀层,在使用过程中,当这个金属镀层接触被加工工件时,起不到磨料磨削作用,将造成磨削堵塞现象。(3)为防止电力线的尖端效应导致工件尖端、凸出部位增厚过度镀层发白光亮,磨粒被包裹过度,当增厚到一定时间后,勤观察尖端、凸出部位的增厚程度,及时对这些部位采取保护措施套上塑胶保护圈。(4)质检时要求砂子色裹牢固和包裹率合适,不允许增厚镀层严重发白或发绿,发白表示镀层增厚过度应返工,发绿则表明镀层增厚不足应继续增厚。5.3.5切割片与底衬的分离经电镀和化学镀已在底衬上形成超薄金刚石切片毛坯，这时需采用机械及加热法（空气中)将底衬与切割片两体分离，具体加热温度及时间条件是：当切片厚度为20μm以下时，加热最高温度为300-350oC，保温1小时;当切片厚度为20-50μm时，加热最高温度为400-450oC，保温1小时;当切片厚度为50-100μm时，加热生高温度为500-550oC，保温1小时。经上述方法加热处理后，底衬与切割片自然分离。5.3.6成型加工经化学镀和电镀而成的金刚石薄片从底衬上分离下来后，经冲压整型就可以得到所需规格尺寸的切割片。5.3.7托架安装切割片直接装夹在由空气轴承带动的法兰盘上使用。自带托架的切割片在专用的涂装机上用胶粘剂将切割片粘着在铝合金法兰盘上，如图3所示。图3金刚石超薄切割片及带托架的切割片6性能测试6.1表面形貌观察将实验所得的样品在热水煮洗干燥后,在显微镜下对实验所得样品表面的金刚石分布情况、缺陷等进行观察,在进行磨损实验后再对磨损后的样品进行观察,观察镀层表面的磨损情况。6.2镀层的硬度测试6.2.1实验实验仪器、工具及药品（1）、显微硬度计；（2）、镶嵌仪；（3）、脱脂棉、酒精、镊子等。6.2.2实验原理将显微硬度计上特制的金刚石压头，在一定负荷的作用下压入待测试样表面，用硬度计上的测微器，测量正方形压痕对角线的长度。显微硬度按下式计算：(1)式中HV——显微硬度值（N/mm2）；P——负荷（N）；d——四方形压痕对角线平均长度（mm）6.3镀层的抗拉强度测试6.3.1实验实验仪器及工具（1）、抗拉强度测试仪（2）、螺旋测微器、游标卡尺6.3.2实验原理将实验所得镀层试样制成标准试样，在抗拉强度测试仪上测出试样断裂时所需最大力P，用螺旋测微器量出试样断裂处的宽度和厚度，求得截面积S。抗拉强度按下式计算：δb=P/S (2)式中δb——抗拉强度（KN/mm2）；P——负荷（N）；S——待测试样断口截面积（mm）7综合分析7.1实验结果（一）镍钴镀层硬度测试正交实验结果如表10：表10镍钴镀层硬度测试正交实验试验号AB空列C硬度HV/(GPa)111116.93212223.77313333.29421233.20522315.43623125.70731323.65832132.77933213.59K113.9913.7815.4015.95K214.3311.9710.5613.12K310.0112.5812.379.26k14.664.595.13 5.32k24.783.993.52 4.37k33.344.194.12 3.09极差R4.321.814.84 6.69因素主→次CAB优方案A2B1C1本次测试中优方案即在电流密度ic=1.5A/dm2、pH=4.0、温度T=30℃时镀层硬度最高。（二）镍钴镀层抗拉强度测定正交实验结果如表11表11镍镀层抗拉强度测定正交实验试验号AB空列C抗拉强度（MPa）1111132.12122222.93133314.24212316.45223122.26231222.77313230.48321311.49332118.8K169.278.966.273.1K261.356.558.176.0K360.655.766.842.0k123.126.322.124.4k220.418.819.425.3k320.218.622.314.0极差R8.623.28.734因素主→次CBA优方案A1B1C2本次测试中优方案即在电流密度ic=1.0A/dm2、pH=4.0、温度T=35℃时镀层抗拉强度最高。7.2实验结果的分析7.2.1温度对复合镀层性能的影响表7.3是不同温度下进行Ni/Co-金刚石复合电镀得到的镀层性能测试结果。表12温度对镀层性能的影响T(oC)HV/（GPa）δb/(MPa)305.3224.4354.3725.3403.0913.9温度对显微硬度的影响：随着温度的升高，镀层显微硬度反而呈下降趋势。温度的升高加快了离子在阴极附近的运动速率,而减少了因离子的扩散速度带来的浓差极化,从而使得镍沉积的结晶变粗,导致沉积金属的机械性能变差。温度对抗拉强度的影响：从实验数据看,30℃时和35℃时抗拉强度值差别不大。在低于35℃时,抗拉强度随温度的升高而升高,但是当温度超过35℃后,抗拉强度反而随温度的升高而下降,并且在温度较高时下降得较为明显。温度对镀层内应力影响：温度由10℃升到35℃，镀层内应力显著降低；但由35℃升到60℃，内应力降低缓慢；进一步提高温度，内应力几乎不再改变。温度对电流密度影响：温度升高可以提高IC上限的原因是：升高温度可以提高盐类的溶解度，因而可以采用较高浓度的电解液；升高温度可以提高电解液的电导率；升高温度使阴阳极极化均有所降低，阳极不易钝化，阴极镀层不易烧焦，IC、Ia均可提高。升高温度，阴极电流效率也有所提高。温度对镍钴合金的组成也有影响。一般原理是，温度升高会提高较贵的金属（镍）的含量。具体的影响温度对镍和钴沉积电位的影响程度。7.2.2pH值对镀层性能的影响在pH偏小的条件下,可以适当的提高主盐的浓度,从而可以采用高的电流密度。当pH升高时镀层的内应力增大,硬度相应地提高,延伸率下降,电流效率也可高一点。但是随着pH增大到一定值后,镀液中的金属阳离子以氢氧化物的形式沉积下来,夹杂在镀层中严重影响了镀层的质量。表13是不同pH下,复合镀层性能测试结果。表13pH值对镀层性能的影响pH值HV/（GPa）δb/(MPa)4.05.1326.3 3.53.5218.8 3.04.1218.5 pH值对显微硬度的影响：当pH在4.0左右时镀层的显微硬度最高；当pH在3.0时镀层硬度次之；当pH在3.5时镀层硬度最低。pH值对抗拉强度的影响：当pH在4.0左右时镀层的抗拉强度最高；当pH在3.5左右时镀层的显微硬度和pH在3.0左右时的显微硬度相当；镀层的抗拉强度随着pH值的降低而降低。当pH小于3.0、电流密度为2.0A/dm2时,可以认为是副反应程度过大而造成金刚石难于在阴极吸附。由于H+的浓度过高,电镀过程中出现严重析氢。表面析出的氢气泡吸附在阴极表面,严重地影响了金刚石的吸附,造成了金刚石含量的明显降低。在允许范围内，维持较低的pH值，有以下一些优点：1、可以获得较宽的电流密度范围。这对镀覆现状复杂的制品特别有利。2、pH值低时，可相应地增加主盐含量和提高温度，从而采用较高的电流密度。因此在快速电镀中采用pH较低的电解液。3、pH值低的电解液阳极溶解性好。4、镀层针孔少。当pH值过低时，阴极电流效率低，光亮镀的温度范围窄，镀液不稳定，在pH值小于2的镀镍溶液中，阴极上只是析出氢气，镀不上镍。欲获得优良镀层，在有搅拌的条件下，pH值不应小于3；在没有搅拌的情况下，pH值不应小于4.6。在允许范围内，随着pH值升高，镀层内应力增大，硬度提高，延伸率下降，同时电流效率也较高一些，但分散能力较差。适当提高pH有利于获得硬度高，耐磨损的镀层。而硬度高耐磨损正是超硬材料复合镀层应具备的重要机械性能指标。当pH过高时，阴极附近产生氢氧化物，造成镀层发脆、粗糙、针孔多、与基体结合不牢，甚至起泡、脱皮。产生氢氧化亚铁沉淀的pH为5.5，产生氢氧化镍沉淀的pH为6.6，因此，一般来说，pH值不能大于6，最好在5.5以下。对于镍钴合金电镀而言，PH值对于镀层合金成分的比例也有影响。随着PH值升高，合金中钴的含量有所下降。由于钴镍电位与PH值无关，因此PH值是通过影响其他工艺条件而对镍钴合金比例产生影响的，所以在不同的条件下可以得到不同的结果。7.2.3电流密度对镀层性能的影响在电流密度较小时,过电位较小,电化学结晶金属较粗,而且在小电流电镀时一些本来含量很低的杂质金属也会放电而进入镀层(如铜、铁、锌等)。所以在一般情况下,工业生产过程中在保证镀层质量的前提下都会采用尽可能大的电流密度,但是电流密度过大时会出现副反应(析氢现象),还会使镀层内应力增大，很脆，结合不牢，出现针孔。甚至出现由于大量电子在阴极表面积聚无法交换而产生的烧焦现象。镍钴合金中的钴含量与电流密度有关。根据金属共沉积的一般原理，如果钴比镍阴极极化率较小，则随着电流效率的提高，钴电位向负方向移动比镍小，因此合金中钴含量应当增大。反之，钴含量应当减小。此外，电流密度还影响磨粒分布和埋入率。表14电流密度对镀层性能的影响电流密度（A/dm2）HV/（GPa）δb/(MPa)1.04.6623.1 1.54.7821.4 2.03.3420.2 电流密度对镀层显微硬度的影响：当ic=1.5A/dm2时镀层显微硬度最高；当ic=1.0/dm2时镀层硬度次之；当ic=2.0A/dm2时镀层硬度明显下降，硬度最低。电流密度对抗拉强度的影响：当ic=1.0/dm2时镀层抗拉强度最高；当ic=1.5/dm2时镀层抗拉强度和当ic=2.0/dm2时镀层抗拉强度相当；镀层的抗拉强度随着电流密度的增大而降低。实验结果表明:在电流密度较小的条件下,由于阴极电化学极化较小,在阴极上形成了较为粗糙的沉积层,沉积金属硬度较小;随着电流密度的增大,电化学极化增大,可以获得较为细致的沉积金属,比结晶粗糙的沉积金属有更好的机械性能;在高的电流密度下,金属沉积过快会造成镀层有较大的缺陷,从而使得镀层的机械性能有所下降。因为镍金刚石复合镀层的显微硬度与抗拉强度是由镍镀层的抗拉强度和显微硬度决定的，通过正交试验的结果以及温度、pH值和电流密度对镀层性能的影响可以得出以下三种镍金刚石复合镀层的工艺条件：表15不同工艺条件镍金刚石复合镀层性能比较电流密度（A/dm2）pH温度T(oC)HV/（GPa）δb/(MPa)1.04.0307.3633.7 1.04.0355.7838.4 1.54.0307.5427.27.3显微图分析图1.ic=1.0A/dm2T=30oCpH=4.0100倍图2.ic=1.0A/dm2T=30oCpH=4.0400倍图3.ic=1.0A/dm2T=35oCpH=4.0100倍图4.ic=1.0A/dm2T=35oCpH=4.0400倍通过以上四幅图片，我们可得知，在相同搅拌速度下，当ic=1.0A/dm2T=30oCpH=4.0时，其分散较均匀，那么其硬度，抗拉强度的分布也较均匀。图5.ic=1.0A/dm2T=30oCpH=4.0转速5档图6.ic=1.0A/dm2T=30oCpH=4.0转速6档图7.ic=1.0A/dm2T=35oCpH=4.0转速7档通过上面三副显微图分析发现，当我们把转速调到六档时，他的颗粒分散较为平均。造成这种情况可能是由于当转速较慢时，没有足够的能量使其在落砂时，能够得到足够的金刚石，而当速度太快时，由于搅拌力过大，金刚石不能稳定的沉积下来。7.4相同工艺下其他条件与剥离情况表16不同除油时间剥落情况表镀前除油时间剥落情况20min不能10min不能5min不能1min破碎30s完整0s完整表17其他工艺不同的剥落情况化学转化膜时间加热温度剥落情况5min室温不能5min350℃不能30min室温不能30min350℃破碎1h室温完整7.5分析表18不同工艺条件镍钴金刚石复合镀层性能比较电流密度（A/dm2）pH温度T(oC)HV/（GPa）δb/(MPa)1.04.0307.3633.71