代晓南，何伟春，栗正新

(1.河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001;2.高温耐磨材料河南省工程实验室，郑州 450001)

线锯用金刚石微粉化学镀镍工艺研究

代晓南1，2，何伟春1，2，栗正新1，2

(1.河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 450001;2.高温耐磨材料河南省工程实验室，郑州 450001)

介绍了D50为6μm线锯用金刚石微粉表面化学镀镍工艺的研究结果。研究采用正交试验优化了工艺，用XRD、SEM、EDS等技术表征了镀镍金刚石微粉的性能。实验表明，在镍盐含量一定条件下，镀液配方中影响镀速的重要因素主次关系为次磷酸钠、乳酸、氨水;当温度为85℃时镀层质量最佳;多次镀覆可有效增加镀层厚度，其分散性也越好。化学镀液优化配方为:硫酸镍25g/L、次磷酸钠30g/L、氨水35ml/ L、乳酸10ml/L、乙酸钠15g/L、硫脲20mg/L。

金刚石微粉;化学镀镍;镀液配方;电镀金刚石线锯

1 引 言

1965年，尼柯都尔根据磨削机制提出金刚石磨粒经表面镀覆后可提高砂轮的使用寿命50%以上的依据后，人们对镀覆金刚石又重新产生了兴趣。镀层赋予金刚石所需要的各种特有的物理化学性能，不仅可以提高金刚石颗粒强度以及与结合剂的结合强度，还有对金刚石表面的宏观隔离保护作用和对金刚石结构的微观侧面支撑作用，从而有利于防止金刚石在使用过程中被氧化和石墨化。随着太阳能、光伏等产业的不断发展，硬脆材料加工行业也迅速发展，而金刚石线锯由于具有切缝窄、加工效率高等优点而被广泛应用。为提高电镀金刚石线锯的制备效率及基体与耐磨料的结合力，可采用镀覆金刚石［1-3］，一般要求镀层均匀、致密、有适量突起、增重率为15%～30%。镀覆金属不仅可以提高金刚石的抗压强度、增加与基体的结合力，还可以很好地提高线锯的生产效率、导热系数、改善线锯的使用性能。制备镀覆金刚石的工艺种类很多且各有利弊［4-5］，但总体来说化学镀、电镀的操作简单、成本低而被广泛使用。为减少损耗，线锯的发展趋势为小直径(0.19mm，甚至更细)。这就要求制备线锯用的金刚石磨料粒度越来越细(10μm或更细粒度)。目前金刚石表面镀覆金属的技术虽然已经比较成熟，但对于较细粒度金刚石(10μm以细)镀覆工艺的研究还不足，仍没有完善的工艺，即便可以对其镀覆金属，还有一些问题存在，如生产效率低、团聚等［6］。本文对6μm金刚石微粉进行化学镀镍，通过正交试验找到了最佳的镀覆工艺，并分析了各因素对细粒度金刚石化学镀镍生产效率、镀层质量、分散性的影响。

2 化学镀镍实验

金刚石微粉化学镀镍工艺流程为:原材料选择→10%NaOH溶液煮沸0.5h→30%硝酸溶液煮沸0.5h→敏化(16g/L氯化亚锡，60℃0.5h)→活化(0.4g/L氯化钯，60℃0.5h)→还原(6g/L次磷酸钠，室温15min)→化学镀→干燥。

化学镀液配制方法:用适量去离子水分别溶解称量好的乙酸钠、硫酸镍、硫脲和次磷酸钠并得到相应溶液，然后边搅拌边往乙酸钠溶液中依次添加乳酸、硫酸镍、硫脲、氨水、次磷酸钠溶液，不断搅拌后得到淡蓝色化学镀溶液。

化学镀镍工艺配方如表1所示。每次化学镀镀液体积为200ml，投料量2.00g，用水浴加热。实验仪器:用分析天平(JA 5003N)称量样品，用XRD(Mini Flex 600)定性及半定量检查镍镀层变化，用SEM(Phenom Pro X)和EDS检查镀层形貌及颗粒表层化学组成。

表1 金刚石微粉化学镀镍工艺条件Table 1 Process conditions of chemical nickel-plating of diamond micro-powder

3 结果与讨论

3.1 化学镀速度影响因素正交试验研究

本实验在硫酸镍含量一定的情况下，采用L934正交表对溶液中次磷酸钠、乳酸、氨水和乙酸钠的含量变化对化学镀速度进行考察。实验分析结果如表2所示，表中镀速定义为单位时间内的镀层增重，计算方法是(镀后质量－镀前质量)/反应时间。

由表2可知，影响化学镀速度显著因素的主次关系依次为:次磷酸钠、乳酸、氨水，乙酸钠的极差R很小为非显著因素;将镀速最快前4个实验组排序为7号、9号、5号、8号。通过图1 SEM照片观察形貌发现，镀速最快的实验7其镀覆产品的镀层疏松、不均匀、镍瘤较多，镀层质量不佳;而镀速相对较快的第5组镀镍产品，其镀层致密、有适量突起，明显优于实验8和实验9。从综合镀速和镀层质量两方面考察，第5组配方是本实验最优工艺配方。

3.2 化学镀单因素影响

不同含量次磷酸钠、氨水、乳酸等因素对化学镀镀速的影响如图2所示。

表2 正交试验因素水平表及分析结果Table 2 The factors level table of orthogonal experiment and analysis results

图1 快速镀覆产品形貌观察SEM照片Fig.1 SEM photos of morphology observation of fast plating products

图2 不同含量次磷酸钠、氨水、乳酸对化学镀速的影响Fig.2 Influence of different content of sodium hypophosphite，ammonia water and lactic acid on the chemical plating speed

有次磷酸钠和氨水参与下的化学镀镍方程式如下:

(1)次磷酸钠对化学镀的影响

由图2可知，当次磷酸钠含量小于25g/L时，镀镍速率非常缓慢;随着含量增大其镀速快速增加，当其含量超过30g/L时镀速急剧加快。这与H2PO2－作为还原剂直接参与镍离子的还原有关。当次磷酸钠含量为35g/L时化学镀镍速度过快，镀层疏松、镍瘤增多、镀层强度差。研究发现，当次磷酸钠30g/L时化学镀镍可得最佳镀层，且镀速较快，镀覆效率较高。

(2)乳酸对化学镀的影响

由图2知，随乳酸含量增大化学镀速度先稍微升高而后陡然减慢。这主要与乳酸作为缓冲剂的酸性物质有关。当含量小于15ml/L时，其含量升高对化学镀速影响不大，而当其含量超过15ml/L后溶液酸度升高较多，相应H2PO2－的还原性明显减弱，致使镍沉降速度显著下降。因此实验选定乳酸最佳含量应低于15ml/L。

(3)氨水对化学镀的影响

由图2可知，当镀液中氨水含量为15ml/L时，化学镀速率较慢;随氨水含量增加，镀镍速率呈线性增大。这与NH3既可作为配位剂与Ni2+形成络离子，又可以作为弱碱升高pH值有关。当碱性增大时H2的还原性显著增强，还原镍离子的速度明显加快。当镀液中氨水和含量都很高时，会使镍沉降速度过快，还原产生的镍围绕金刚石表面活性点快速堆积而不能铺展开来，致使镀层疏松且有较多镍渣产生［7］;若适当控制次磷酸根含量可获得较快镀速，同时镀层质量较好。

3.3 化学镀温度对镀层质量的影响

由图3可知，70℃时所得产品镀层疏松、不均匀、且漏镀严重，其EDS检测表明相应产品表层镍含量仅为8.6%(见图4);随着温度升高产品镀覆质量逐渐改善，到85℃时镀层致密、均匀，产品质量最佳，相应产品表层镍含量为43.1%(见图4)。实验还表明，随着化学镀温度升高，镀覆速度明显加快，但是若超过85℃则镀液稳定性下降、易分解。

3.4 镀覆次数对镀层厚度及分散性的影响

采用优化镀液配方在85℃依次对金刚石微粉化学镀镍1次、2次，所得产品的XRD、EDS及SEM分别如图5、图6和图7所示。

图3 不同温度化学镀镍产品的SEM图片Fig.3 SEM images of chemical nickel-plating products under different temperatures

图4 70℃和85℃时化学镀镍产品EDS图片Fig.4 EDS images of chemical nickel-plating products under 70℃ and 85℃

图5 不同镀覆次数产品的XRD图谱Fig.5 XRD spectra of products of different number of times of plating

图6 镀2次产品的EDS图片Fig.6 EDS images of products of two times of plating

图7 不同镀覆次数对产品颗粒分散性影响SEM图片Fig.7 SEM pictures on the influence of different number of times of plating on the particle dispersity of the product

由图5 XRD分析可知，对金刚石微粉化学镀镍1次、2次所得产品，其镀镍/金刚石特征峰强度比分别是14000/60000(0.233)和14000/33000(0.434)。由图4和图6 EDS分析可知，相应产品表层镍含量分别为43.1%和75.4%，对应金刚石镀覆增重率分别为23.2%、58.1%。上述数据显示，随镀覆次数的增加，镀镍/金刚石特征峰强度比、产品表层镍含量和镀覆增重率都在快速上升，说明微粉镍镀层在快速增厚。这表明采用多次镀覆的方式可有效增加金刚石微粉镍镀层的厚度。

由图7可知，利用优化配方化学镀镍1次时所得金刚石微粉团聚严重，而镀2次时金刚石分散性可明显改善。这是因为，仅仅镀1次的金刚石微粉其镍镀层薄、不够致密、表面张力大，容易团聚，而镀2次的金刚石微粉其镍镀层厚、致密均匀、性能稳定、不易团聚，因而分散性好。而分散性良好的镀衣微粉对于金刚石丝锯镀覆时获得上砂均匀、结合牢固的高质量复合镀层具有重要意义。

4 结 论

(1)本实验化学镀配方成分对镀覆速度有重要影响的因素主次关系依次为:次磷酸钠、乳酸、氨水;保持合适浓度的次磷酸钠和氨水可有效提高化学镀效率;在70℃～85℃范围升高镀覆温度可改善镀层质量。

(2)本实验条件下线锯用细粒度金刚石微粉化学镀镍的最优配方为:六水硫酸镍25g/L、次磷酸钠30g/L、氨水35ml/L、乳酸10ml/L、乙酸钠15g/L、硫脲25mg/L。

(3)采用多次镀镍方式可有效提升镀层的厚度和质量，同时还能有效增加镀镍金刚石微粉的分散性。

［1］王秦生，王小辉.金刚石表面镀层在磨具中的作用机理［J］.金刚石与磨料磨具工程，2006(5):5-9.

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［7］黄世玲.金刚石化学镀镍工艺研究及电化学分析［D］.郑州:郑州大学，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

代晓南(1989－)，男，硕士研究生。主要从事电镀金刚石线锯开发、应用等方面研究工作。E-mail:xiaonandai36@163.com。

何伟春(1966－)，男，教授，博士。主要研究方向超硬材料、电镀制品。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。

代晓南，何伟春，栗正新.线锯用金刚石微粉化学镀镍工艺研究［J］.超硬材料工程，2016，28(6):15-19.