金刚石微粉镀镍加重率的影响因素研究

金刚石微粉镀镍加重率的影响因素研究

钻石微粉主要用于制作钻石线锯、砂浆机等工具，用于加工硬脆材料。但是,金刚石与大多数金属、合金、结合剂之间界面能高,在实际使用过程中易脱落、流失,影响金刚石工具的使用寿命和加工效率增重率、漏镀、连晶是影响化学镀镍金刚石微粉使用性能的重要因素,与镀液配比和工艺条件关系密切。化学镀液的主要成分有镍盐、还原剂、络合剂、分散剂、稳定剂等。工艺条件包括镀液容量、金刚石装载量、温度、搅拌速度等。镀液成分中除镍盐、还原剂外,络合剂、分散剂、稳定剂对镀覆金刚石微粉的漏镀、连晶、镍渣生成等的影响也至关重要,从而影响金刚石微粉化学镀覆的增重率。络合剂在化学镀覆过程中的主要作用是增大镀层的沉积速率,改善镀液的稳定性;稳定剂在化学镀覆过程中起到稳定镀液的作用目前,线锯用表面镀覆金刚石微粉主要存在增重率低、易连晶、易漏镀等问题。而且,随着金刚石颗粒的细化,表面镀覆的难度加大。国内在线锯用金刚石微粉表面镀覆技术方面与国外还有一定差距,还存在提高增重率、减少连晶漏镀等一系列亟待解决的问题采用化学镀的方法在金刚石微粉表面镀覆一层镍,在保持金刚石装载量、温度、搅拌速度、镍盐及还原剂浓度不变的基础上,探究络合剂、分散剂和稳定剂对金刚石微粉化学镀增重率的影响规律。1试验材料和过程1.1原料的预处理选用粒度尺寸M34/42的人造金刚石微粉作为被镀原材料;使用氢氧化钠、硝酸、盐酸、氯化亚锡、氯化钯和去离子水等对原料进行处理。化学镀液原材料中以硫酸镍为镍盐,次亚磷酸钠为还原剂,柠檬酸钠、柠檬酸和氨水为络合剂,硫脲为稳定剂,十二烷基苯磺酸钠为分散剂。1.2微粉理性能测定金刚石微粉化学镀镍的工艺流程为:金刚石微粉称重→除油(质量分数10%的NaOH溶液,30～40min)→水洗3～5次→亲水化(质量分数10%的HNO所用工艺条件为:镀液400mL,金刚石装载量6g,超声分散5min,水浴加热温度80～85℃,搅拌速度180r/min。用电子天平称重,用微粉显微镜和扫描电镜观察镀覆金刚石微粉的连晶、漏镀情况。镀液成分见表1。2结果与分析2.1影响金刚石微粉增重率的因素通过正交试验,在金刚石装载量、温度、搅拌速度、镍盐(硫酸镍)及还原剂(次亚磷酸钠)浓度不变的情况下,探究络合剂、分散剂、稳定剂的浓度变化对金刚石微粉化学镀镍增重的影响,其结果如表2所示。通过极差分析可以看出,络合剂、分散剂、稳定剂中影响金刚石微粉增重率因素的主次排序为:氨水>柠檬酸>柠檬酸钠>硫脲>十二烷基苯磺酸钠。综合增重、漏镀、连晶情况考虑,第5组配方的镀覆情况最好,镀覆形貌如图1所示。从图1可以看出:镀覆后的金刚石颗粒无连晶、无漏镀情况,单颗粒表面镀覆的镍层均匀、无漏镀。所以金刚石微粉表面镀镍的最优配方为:氨水10mL/L、柠檬酸20g/L、柠檬酸钠15g/L、硫脲2.1mg/L、十二烷基苯磺酸钠1.6g/L。2.2络图镍离子的配置随着总络合剂浓度的增加,增重率呈现出先增大后减小的趋势。这是因为,当络合剂浓度增大时,镀液会因为络合剂与镍离子形成络合物而变得稳定,络合作用会随着其浓度的增大而加强,游离的镍离子与其他化学物质形成沉淀的速率降低,因而镍沉积速率有所提高;再继续增大络合剂含量时,溶液中的镍离子完全络合,从络合物中解离出来的镍离子减少,减缓了镍离子的还原,因而镍沉积速率减慢。2.2.1氨酸钠添加量在正交试验最优配方的基础上,只改变氨水含量(0～25mL/L),探究氨水含量对增重率的影响,所得镀覆结果形貌如图2所示,氨水含量与增重率的关系如图3所示。在所选取的试验条件下,随着氨水浓度增大,增重率逐渐增大;当氨水浓度>15mL/L时,增重率有所减小。这是因为不添加氨水时,溶液过酸,反应不能正常进行,且试验过程中水洗会造成金刚石颗粒发生不可避免的流失,导致增重率为负值;随着氨水浓度增大,镀液pH值变大,化学镀镍反应正常进行,增重率逐渐增大;当氨水浓度为15mL/L时,增重率达到最大,但因反应速度快,镀液中金刚石颗粒均匀性不易控制,连晶现象严重,有少量漏镀现象,并有镍渣生成(图2c);当氨水浓度超过15mL/L时,反应速度过快,气泡过多,连晶现象减弱但镍渣增多(图2d),导致增重率有所减小。因此,综合考虑,氨水的最优含量为10～15mL/L。2.2.2柠檬酸对镀液增重的影响在正交试验最优配方的基础上,只改变柠檬酸含量(5～35g/L),探究柠檬酸含量对增重率的影响,所得镀覆结果形貌如图4所示,增重率与柠檬酸含量的关系如图5所示。在所选取的试验条件下,随着柠檬酸含量增加,增重率先增大后减小。当柠檬酸浓度为5g/L时,反应速度快,镀液中金刚石颗粒的均匀性不易控制,有漏镀现象,并有镍渣生成(图4a),增重率较小;当柠檬酸浓度为10g/L时,增重率达到最大,无漏镀现象,但有少量镍渣生成,且金刚石颗粒表面镍瘤尺寸较大(图4b);随着柠檬酸浓度继续升高,镍渣消失,镍瘤尺寸逐渐减小(图4c),增重率减小;当柠檬酸浓度为35g/L时,镍瘤基本消失,但有轻微漏镀现象(图4d)。因此,柠檬酸的最优含量为15～20g/L。2.2.3柠不同浓度对增重率的影响在正交试验最优配方的基础上,只改变柠檬酸钠的含量(5～30g/L),探究柠檬酸钠含量对增重率的影响,所得镀覆结果形貌如图6所示,增重率与柠檬酸钠含量的关系如图7所示。在所选取的试验条件下,随柠檬酸钠浓度增大,金刚石增重率呈先增大后减小的趋势。当柠檬酸钠浓度为5g/L时,溶液过酸,反应不能正常进行(图6a),且水洗会造成金刚石颗粒流失导致增重率为负值;随柠檬酸钠浓度增大,镀液pH值变大,镀镍反应可正常进行,增重率逐渐增大;当柠檬酸钠浓度为20g/L时,增重率达到最大,但镀液中有镍渣生成且金刚石颗粒表面镍瘤较多,镀层疏松(图6c);当柠檬酸钠浓度>20g/L时,出现漏镀现象(图6d),增重率减小。因此,柠檬酸钠的最优含量为10～15g/L。2.3硫脲含量对金刚石增重的影响在正交试验最优配方的基础上,只改变硫脲浓度(0.5～3.7mg/L),探究硫脲含量对增重率的影响,所得镀覆结果形貌如图8所示,增重率与柠檬酸钠含量的关系如图9所示。在所选取的试验条件下,随硫脲含量增加,金刚石增重率先减小后增大。当硫脲浓度为0.5～2.1mg/L时,硫脲主要起稳定镀液的作用,会降低镀速并减少镍渣的生成,导致增重率减小;当硫脲浓度为2.1mg/L时,无镍渣生成(图8c);当硫脲浓度>2.1mg/L时,在化学镀过程初始时反应缓慢,硫脲仍起着稳定镀液的作用,随着反应进行,硫脲提高镀速的功能开始起主要作用,造成某一时刻化学镀反应剧烈,超出硫脲稳定镀液的能力,导致镀液失衡,镍渣出现(图8d),增重率增大。因此,硫脲的最优含量为1.3～2.1mg/L。2.4二烷基苯磺酸钠浓度对增重率的影响在正交试验最优配方的基础上,只改变十二烷基苯磺酸钠的含量(1.2～3.2g/L),探究分散剂含量对增重率的影响所得镀覆结果形貌如图10所示,增重率与十二烷基苯磺酸钠含量的关系如图11所示。在所选取的试验条件下,随着十二烷基苯磺酸钠浓度的增加,增重率呈先增大后减小趋势。当十二烷基苯磺酸钠的浓度为1.2g/L时,由于镀液中分散剂含量较低,化学镀反应慢,金刚石微粉表面存在大量漏镀现象(图10a),且金刚石水洗时部分流失,所以增重率为负值;当十二烷基苯磺酸钠的浓度为1.6～2.4g/L时,金刚石微粉能够很好地分散在镀液中,基本无漏镀(图10b),增重率逐渐增大;当十二烷基苯磺酸钠的浓度>2.4g/L时,镀液中泡沫过多,镍单质较难沉积在金刚石微粉表面,又出现漏镀现象(图10c),导致增重率减小。因此,十二烷基苯磺酸钠的最优含量为1.6～2.4g/L。3正交试验结果采用化学镀的方法在金刚石微粉表面镀覆一层镍。在确定金刚石装载量、温度、搅拌速度、镍盐(硫酸镍)及还原剂(次亚磷酸钠)浓度不变的基础上,采用正交试验和控制变量的方法,得到了络合剂、分散剂、稳定剂的浓度变化对金刚石微粉化学镀镍增重率的影响规律,在所选取的试验条件下,所得结论如下:(1)正交试验结果表明,影响金刚石微粉增重率成分的主次排序为:氨水>柠檬酸>柠檬酸钠>硫脲>十二烷基苯磺酸钠。(2)控制变量法试验结果表明,随着氨水、柠檬酸、柠檬酸钠3种络合剂浓度的增加,增重率都呈现出先增大后减小的趋势;随着硫脲含量增加,