金刚石表面化学镀镍前处理技术

金刚石表面化学镀镍前处理技术

0金刚石镀覆的市场人造钻石被称为21世纪的高科技材料，其应用范围广泛包括经济和人民生活的各个方面。近年来,随着石材装修行业进入家庭,对工具的要求也越来越高。与普通金刚石相比,镀覆金刚石能大幅提高工具的质量和使用寿命,顺应了时代发展的需求,市场前景十分广阔。金刚石镀覆的方法很多,从镀层组成来看,以镀钛及其合金、镍及其合金、铜及其合金为主。目前镀镍金刚石量约占整个镀覆金刚石量的一半,其市场容量相当可观。金刚石化学镀镍工艺的优劣和成本的高低将直接决定金刚石镀覆的质量和利润空间,因此,金刚石表面化学镀镍工艺与镀液寿命的研究对提高金刚石的利用率及制品寿命具有重大意义。1实验1.1等离子体原子发射光谱TG328A型分析天平,DU-20G型电热恒温水浴锅,pHS-25型数显酸度计,85-1B型磁力搅拌器,PS-6型等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)。1.2实验用试剂及试剂实验采用JR1型(粒度70/80)和HWDR1型(粒度60/70)金刚石。实验所用试剂:氢氧化钠,稀硝酸,氯化亚锡,氯化钯,次磷酸钠,硫酸镍,柠檬酸钠,醋酸钠,乳酸。以上试剂均为分析纯。1.3工艺碱洗除油→→水洗→→酸洗粗化→→敏化→→水洗→→活化→→水洗→→还原→→化学镀镍→→水洗→→烘干→→称重1.4主要命令描述(1)碱性洗脱油质量分数为10%的NaOH,煮沸30min。(2)洗过水质量分数为10%的稀硝酸,煮沸30min。(3)敏化SnCl2·2H2O20g/L,HCl40mL/L,室温,搅拌5min。(4)激活激活PdCl20.5g/L,HCl10mL/L,煮沸至金刚石呈褐色。(5)恢复NaH2PO2·H2O20g/L,室温,1min。(6)ph值的调节NiSO4·6H2O20～30g/L,NaH2PO2·H2O15～30g/L,Na3C6H5O7·2H2O10～20g/L,乳酸25～35g/L,醋酸钠0～10g/L,硫脲0.5～1.0mg/L,用氨水调节pH值至4.5～5.5,85℃,每5min搅动30s。2结果与讨论2.1前处理条件的优化金刚石是疏水性的非金属材料,在化学镀镍液中不具备催化活性。因此,在化学镀镍前通过碱洗除去金刚石表面的污垢,通过强酸的腐蚀作用增强其表面的亲水性,通过敏化活化处理使其表面产生化学镀镍所必须的催化活性中心。实验发现:良好的前处理效果为后期获得高质量的化学镀镍层及较好的镀液稳定性打下坚实的基础。实验还发现:金刚石的品级越高,其敏化活化越困难。实验用HWDR1型金刚石在相同条件下的敏化活化效果明显不如JR1型金刚石的。这可能是因为高品质金刚石的晶形完整、杂质少,其表面的亲水性和吸附性差,敏化活化中产生的催化活性中心较少,在化学镀镍过程中施镀困难,易出现漏镀和镀层黏附力差的现象。采用王水进行亲水处理,可以改善胶体钯敏化活化的效果。2.2正交实验结果以镀速、镀层的结合力、镀液的稳定性为评价指标,对金刚石化学镀镍工艺进行正交优化。选取主盐与还原剂的质量比、乳酸的质量浓度、柠檬酸钠的质量浓度、pH值为4个因素,采用L9(34)进行正交实验优化。其他参数为:NaH2PO2·H2O30g/L,醋酸钠10g/L,硫脲1mg/L,85℃,1h,装载量(JR1型金刚石)20g/L。由正交实验结果得到金刚石化学镀镍的最优方案为:mNiSO4·6H2O∶mNaH2PO2·H2O1,乳酸30g/L,柠檬酸钠15g/L,pH值4.5。实验结果与相关文献报道相吻合:主盐与还原剂的质量比是影响镀速的主要因素;乳酸-柠檬酸钠双配位剂在保障镀速的前提下有效地提高了镀液的稳定性;酸性化学镀镍时,pH值越高,镀速越大,但镀液的稳定性越差。2.3配方优化试验为降低镀覆金刚石的成本及废旧镀液对环境的污染,需尽可能地提高镀液的使用寿命。因此,化学镀镍液的稳定性及寿命问题已引起广泛关注。酸性镀液中次磷酸钠还原镍的反应如式(1)所示,产物以H2PO-3为主。在还原镍的同时还会发生式(2)所示的副反应。H2PO−2+Ni2++H2O→催化H2PO−3+Ni+2H+(1)3H2PO−2+2H+→2P+H2PO−3+3H2O(2)Η2ΡΟ2-+Νi2++Η2Ο→催化Η2ΡΟ3-+Νi+2Η+(1)3Η2ΡΟ2-+2Η+→2Ρ+Η2ΡΟ3-+3Η2Ο(2)由反应式可知:每生成1molNi消耗4molH2PO-2,产生2molH2PO-3。镀液中H2PO-3的积累将迅速降低化学镀镍的沉积速率,同时还会与镀液中的Ni2+生成溶解度很小的亚磷酸镍沉淀,使镀液浑浊,镀层粗糙无光,甚至造成镀液分解。配位剂的添加能有效降低镀液中游离Ni2+的质量浓度,阻止亚磷酸镍沉淀的生成。因此,配位剂是稳定镀液、延长镀液寿命的重要因素。实验发现:乳酸作配位剂时,镀速较大,镀层粗糙,镀液的稳定性差;柠檬酸钠作配位剂时,镀速慢,但镀液的稳定性好。不同配位剂对镀速的影响,究其原因是配位物的稳定常数不同,导致游离Ni2+的质量浓度不同。考虑到乳酸和柠檬酸钠在镀速和稳定镀液方面的互补性,实验采用乳酸和柠檬酸钠双配位剂配方来增强镀液的稳定性,同时添加微量的硫脲作为稳定剂。由正交实验结果可知:乳酸和柠檬酸钠比例适当时,能有效地稳定镀液,延长镀液的寿命。随着施镀的进行,镀液中Ni2+和H2PO-2的质量浓度降低,镀速下降。当主盐的质量浓度很低时甚至无起镀,同时伴随着镀液中无效离子的积累,镀液的稳定性降低。施镀过程中定期检测镀液组成,及时补加消耗成分是保持镀液稳定、延长其寿命的重要手段。实验利用原子发射光谱仪定期检测镀液组成,通过间隔取液法延长镀液寿命,达到镀液循环利用的目的。各物质的添加原则为:每隔1h调整一次镀液;金刚石每增重1g添加次磷酸钠6～7g;其余配位剂、稳定剂按原配方的3%补加。实验表明:按最优配方,采用定期补加、间隔取液法延长镀液寿命,施镀10个周期时镀液仍澄清透明,镀速无明显下降,具有推广应用价值。需要指出的是:在做周期实验的过程中,需定期过滤镀液中的沉淀,防止镀液自分解。3最优设备的确定(1)良好的前处理效果为获得高质量的金刚石化学镀镍层奠定了坚实的基础,同时有助于提高镀液的稳定性。(2)经正交实验确定的最优方案为:mNiSO4