代曉南，何偉春，栗正新

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001;2.高溫耐磨材料河南省工程實驗室，鄭州 450001)

線鋸用金剛石微粉化學(xué)鍍鎳工藝研究

代曉南1，2，何偉春1，2，栗正新1，2

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001;2.高溫耐磨材料河南省工程實驗室，鄭州 450001)

介紹了D50為6μm線鋸用金剛石微粉表面化學(xué)鍍鎳工藝的研究結(jié)果。研究采用正交試驗優(yōu)化了工藝，用XRD、SEM、EDS等技術(shù)表征了鍍鎳金剛石微粉的性能。實驗表明，在鎳鹽含量一定條件下，鍍液配方中影響鍍速的重要因素主次關(guān)系為次磷酸鈉、乳酸、氨水;當(dāng)溫度為85℃時鍍層質(zhì)量最佳;多次鍍覆可有效增加鍍層厚度，其分散性也越好?；瘜W(xué)鍍液優(yōu)化配方為:硫酸鎳25g/L、次磷酸鈉30g/L、氨水35ml/ L、乳酸10ml/L、乙酸鈉15g/L、硫脲20mg/L。

金剛石微粉;化學(xué)鍍鎳;鍍液配方;電鍍金剛石線鋸

1 引 言

1965年，尼柯都爾根據(jù)磨削機制提出金剛石磨粒經(jīng)表面鍍覆后可提高砂輪的使用壽命50%以上的依據(jù)后，人們對鍍覆金剛石又重新產(chǎn)生了興趣。鍍層賦予金剛石所需要的各種特有的物理化學(xué)性能，不僅可以提高金剛石顆粒強度以及與結(jié)合劑的結(jié)合強度，還有對金剛石表面的宏觀隔離保護作用和對金剛石結(jié)構(gòu)的微觀側(cè)面支撐作用，從而有利于防止金剛石在使用過程中被氧化和石墨化。隨著太陽能、光伏等產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，硬脆材料加工行業(yè)也迅速發(fā)展，而金剛石線鋸由于具有切縫窄、加工效率高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。為提高電鍍金剛石線鋸的制備效率及基體與耐磨料的結(jié)合力，可采用鍍覆金剛石［1-3］，一般要求鍍層均勻、致密、有適量突起、增重率為15%～30%。鍍覆金屬不僅可以提高金剛石的抗壓強度、增加與基體的結(jié)合力，還可以很好地提高線鋸的生產(chǎn)效率、導(dǎo)熱系數(shù)、改善線鋸的使用性能。制備鍍覆金剛石的工藝種類很多且各有利弊［4-5］，但總體來說化學(xué)鍍、電鍍的操作簡單、成本低而被廣泛使用。為減少損耗，線鋸的發(fā)展趨勢為小直徑(0.19mm，甚至更細)。這就要求制備線鋸用的金剛石磨料粒度越來越細(10μm或更細粒度)。目前金剛石表面鍍覆金屬的技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但對于較細粒度金剛石(10μm以細)鍍覆工藝的研究還不足，仍沒有完善的工藝，即便可以對其鍍覆金屬，還有一些問題存在，如生產(chǎn)效率低、團聚等［6］。本文對6μm金剛石微粉進行化學(xué)鍍鎳，通過正交試驗找到了最佳的鍍覆工藝，并分析了各因素對細粒度金剛石化學(xué)鍍鎳生產(chǎn)效率、鍍層質(zhì)量、分散性的影響。

2 化學(xué)鍍鎳實驗

金剛石微粉化學(xué)鍍鎳工藝流程為:原材料選擇→10%NaOH溶液煮沸0.5h→30%硝酸溶液煮沸0.5h→敏化(16g/L氯化亞錫，60℃0.5h)→活化(0.4g/L氯化鈀，60℃0.5h)→還原(6g/L次磷酸鈉，室溫15min)→化學(xué)鍍→干燥。

化學(xué)鍍液配制方法:用適量去離子水分別溶解稱量好的乙酸鈉、硫酸鎳、硫脲和次磷酸鈉并得到相應(yīng)溶液，然后邊攪拌邊往乙酸鈉溶液中依次添加乳酸、硫酸鎳、硫脲、氨水、次磷酸鈉溶液，不斷攪拌后得到淡藍色化學(xué)鍍?nèi)芤骸?/p>

化學(xué)鍍鎳工藝配方如表1所示。每次化學(xué)鍍鍍液體積為200ml，投料量2.00g，用水浴加熱。實驗儀器:用分析天平(JA 5003N)稱量樣品，用XRD(Mini Flex 600)定性及半定量檢查鎳鍍層變化，用SEM(Phenom Pro X)和EDS檢查鍍層形貌及顆粒表層化學(xué)組成。

表1 金剛石微粉化學(xué)鍍鎳工藝條件Table 1 Process conditions of chemical nickel-plating of diamond micro-powder

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)鍍速度影響因素正交試驗研究

本實驗在硫酸鎳含量一定的情況下，采用L934正交表對溶液中次磷酸鈉、乳酸、氨水和乙酸鈉的含量變化對化學(xué)鍍速度進行考察。實驗分析結(jié)果如表2所示，表中鍍速定義為單位時間內(nèi)的鍍層增重，計算方法是(鍍后質(zhì)量－鍍前質(zhì)量)/反應(yīng)時間。

由表2可知，影響化學(xué)鍍速度顯著因素的主次關(guān)系依次為:次磷酸鈉、乳酸、氨水，乙酸鈉的極差R很小為非顯著因素;將鍍速最快前4個實驗組排序為7號、9號、5號、8號。通過圖1 SEM照片觀察形貌發(fā)現(xiàn)，鍍速最快的實驗7其鍍覆產(chǎn)品的鍍層疏松、不均勻、鎳瘤較多，鍍層質(zhì)量不佳;而鍍速相對較快的第5組鍍鎳產(chǎn)品，其鍍層致密、有適量突起，明顯優(yōu)于實驗8和實驗9。從綜合鍍速和鍍層質(zhì)量兩方面考察，第5組配方是本實驗最優(yōu)工藝配方。

3.2 化學(xué)鍍單因素影響

不同含量次磷酸鈉、氨水、乳酸等因素對化學(xué)鍍鍍速的影響如圖2所示。

表2 正交試驗因素水平表及分析結(jié)果Table 2 The factors level table of orthogonal experiment and analysis results

圖1 快速鍍覆產(chǎn)品形貌觀察SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photos of morphology observation of fast plating products

圖2 不同含量次磷酸鈉、氨水、乳酸對化學(xué)鍍速的影響Fig.2 Influence of different content of sodium hypophosphite，ammonia water and lactic acid on the chemical plating speed

有次磷酸鈉和氨水參與下的化學(xué)鍍鎳方程式如下:

(1)次磷酸鈉對化學(xué)鍍的影響

由圖2可知，當(dāng)次磷酸鈉含量小于25g/L時，鍍鎳速率非常緩慢;隨著含量增大其鍍速快速增加，當(dāng)其含量超過30g/L時鍍速急劇加快。這與H2PO2－作為還原劑直接參與鎳離子的還原有關(guān)。當(dāng)次磷酸鈉含量為35g/L時化學(xué)鍍鎳速度過快，鍍層疏松、鎳瘤增多、鍍層強度差。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)次磷酸鈉30g/L時化學(xué)鍍鎳可得最佳鍍層，且鍍速較快，鍍覆效率較高。

(2)乳酸對化學(xué)鍍的影響

由圖2知，隨乳酸含量增大化學(xué)鍍速度先稍微升高而后陡然減慢。這主要與乳酸作為緩沖劑的酸性物質(zhì)有關(guān)。當(dāng)含量小于15ml/L時，其含量升高對化學(xué)鍍速影響不大，而當(dāng)其含量超過15ml/L后溶液酸度升高較多，相應(yīng)H2PO2－的還原性明顯減弱，致使鎳沉降速度顯著下降。因此實驗選定乳酸最佳含量應(yīng)低于15ml/L。

(3)氨水對化學(xué)鍍的影響

由圖2可知，當(dāng)鍍液中氨水含量為15ml/L時，化學(xué)鍍速率較慢;隨氨水含量增加，鍍鎳速率呈線性增大。這與NH3既可作為配位劑與Ni2+形成絡(luò)離子，又可以作為弱堿升高pH值有關(guān)。當(dāng)堿性增大時H2的還原性顯著增強，還原鎳離子的速度明顯加快。當(dāng)鍍液中氨水和含量都很高時，會使鎳沉降速度過快，還原產(chǎn)生的鎳圍繞金剛石表面活性點快速堆積而不能鋪展開來，致使鍍層疏松且有較多鎳渣產(chǎn)生［7］;若適當(dāng)控制次磷酸根含量可獲得較快鍍速，同時鍍層質(zhì)量較好。

3.3 化學(xué)鍍溫度對鍍層質(zhì)量的影響

由圖3可知，70℃時所得產(chǎn)品鍍層疏松、不均勻、且漏鍍嚴(yán)重，其EDS檢測表明相應(yīng)產(chǎn)品表層鎳含量僅為8.6%(見圖4);隨著溫度升高產(chǎn)品鍍覆質(zhì)量逐漸改善，到85℃時鍍層致密、均勻，產(chǎn)品質(zhì)量最佳，相應(yīng)產(chǎn)品表層鎳含量為43.1%(見圖4)。實驗還表明，隨著化學(xué)鍍溫度升高，鍍覆速度明顯加快，但是若超過85℃則鍍液穩(wěn)定性下降、易分解。

3.4 鍍覆次數(shù)對鍍層厚度及分散性的影響

采用優(yōu)化鍍液配方在85℃依次對金剛石微粉化學(xué)鍍鎳1次、2次，所得產(chǎn)品的XRD、EDS及SEM分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖3 不同溫度化學(xué)鍍鎳產(chǎn)品的SEM圖片F(xiàn)ig.3 SEM images of chemical nickel-plating products under different temperatures

圖4 70℃和85℃時化學(xué)鍍鎳產(chǎn)品EDS圖片F(xiàn)ig.4 EDS images of chemical nickel-plating products under 70℃ and 85℃

圖5 不同鍍覆次數(shù)產(chǎn)品的XRD圖譜Fig.5 XRD spectra of products of different number of times of plating

圖6 鍍2次產(chǎn)品的EDS圖片F(xiàn)ig.6 EDS images of products of two times of plating

圖7 不同鍍覆次數(shù)對產(chǎn)品顆粒分散性影響SEM圖片F(xiàn)ig.7 SEM pictures on the influence of different number of times of plating on the particle dispersity of the product

由圖5 XRD分析可知，對金剛石微粉化學(xué)鍍鎳1次、2次所得產(chǎn)品，其鍍鎳/金剛石特征峰強度比分別是14000/60000(0.233)和14000/33000(0.434)。由圖4和圖6 EDS分析可知，相應(yīng)產(chǎn)品表層鎳含量分別為43.1%和75.4%，對應(yīng)金剛石鍍覆增重率分別為23.2%、58.1%。上述數(shù)據(jù)顯示，隨鍍覆次數(shù)的增加，鍍鎳/金剛石特征峰強度比、產(chǎn)品表層鎳含量和鍍覆增重率都在快速上升，說明微粉鎳鍍層在快速增厚。這表明采用多次鍍覆的方式可有效增加金剛石微粉鎳鍍層的厚度。

由圖7可知，利用優(yōu)化配方化學(xué)鍍鎳1次時所得金剛石微粉團聚嚴(yán)重，而鍍2次時金剛石分散性可明顯改善。這是因為，僅僅鍍1次的金剛石微粉其鎳鍍層薄、不夠致密、表面張力大，容易團聚，而鍍2次的金剛石微粉其鎳鍍層厚、致密均勻、性能穩(wěn)定、不易團聚，因而分散性好。而分散性良好的鍍衣微粉對于金剛石絲鋸鍍覆時獲得上砂均勻、結(jié)合牢固的高質(zhì)量復(fù)合鍍層具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1)本實驗化學(xué)鍍配方成分對鍍覆速度有重要影響的因素主次關(guān)系依次為:次磷酸鈉、乳酸、氨水;保持合適濃度的次磷酸鈉和氨水可有效提高化學(xué)鍍效率;在70℃～85℃范圍升高鍍覆溫度可改善鍍層質(zhì)量。

(2)本實驗條件下線鋸用細粒度金剛石微粉化學(xué)鍍鎳的最優(yōu)配方為:六水硫酸鎳25g/L、次磷酸鈉30g/L、氨水35ml/L、乳酸10ml/L、乙酸鈉15g/L、硫脲25mg/L。

(3)采用多次鍍鎳方式可有效提升鍍層的厚度和質(zhì)量，同時還能有效增加鍍鎳金剛石微粉的分散性。

［1］王秦生，王小輝.金剛石表面鍍層在磨具中的作用機理［J］.金剛石與磨料磨具工程，2006(5):5-9.

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［7］黃世玲.金剛石化學(xué)鍍鎳工藝研究及電化學(xué)分析［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2014.

Study on the Chemical Nickel-Plating Process of Diamond Powder for Wire Saw

DAI Xiao-nan1，2，HE Wei-chun1，2，Li Zheng-xin1，2
(1.School of materials，Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450001，China;2.Henan Provincial Engineering Laboratory of High Temperature Wear Resistant Material，Zhengzhou，Henan 450001，China)

The research result of chemical nickel-plating process of diamond micro-powder of D50 6 μm used for wire saw has been introduced in this paper.The process has been optimized through orthogonal experiment and the performance of the nickel plated diamond has been characterized by techniques such as XRD，SEM and EDS.Result shows that under the same nickel salt content conditions，the primary and secondary relations of the key elements in the plating solution formula that affect the plating speed are sodium hypophosphite，lactic acid and ammonia water; best coating quality has been achieved under temperature of 85℃;coating thickness can be effectively increased by multiple coating technique with better dispersity.The composition of the optimized chemical plating solution formula is:nickel sulfate 25 g/L，sodium hypophosphite 30 g/L，ammonia water 35 ml/L，lactic acid 10 ml/L，sodium acetate 15 g/L，thiocarbamide 20 mg/L.

diamond micro-powder;chemical nickel-plating;plating solution formula;electroplated diamond wire saw

TQ164

A

1673－1433(2016)06－0015－05

2016－09－07

代曉南(1989－)，男，碩士研究生。主要從事電鍍金剛石線鋸開發(fā)、應(yīng)用等方面研究工作。E-mail:xiaonandai36@163.com。

何偉春(1966－)，男，教授，博士。主要研究方向超硬材料、電鍍制品。E-mail:weichunhex@163.com;栗正新，1964年12月出生，教授。主要研究方向磨料磨具、超硬材料。E-mail:zhengxin_li@haut.edu.cn。

代曉南，何偉春，栗正新.線鋸用金剛石微粉化學(xué)鍍鎳工藝研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):15-19.