人造金剛石表面化學(xué)鍍球狀鎳鈷磷合金的研究*

陳一巖， 智紅梅， 李 明

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 鄭州 450052)

在金剛石磨具的制作過程中，由于金剛石表面與結(jié)合劑的結(jié)合力較低，造成磨料易脫落、磨具耐用性差等問題。為解決此問題，可以通過改變金剛石的表面形式以增強(qiáng)其同結(jié)合劑的結(jié)合力。

采用化學(xué)鍍[1-2]的方法在人造金剛石表面鍍覆鎳鈷磷合金，不僅可以增強(qiáng)金剛石與結(jié)合劑之間的結(jié)合力，還可以獲得硬度高、耐磨性好的鍍層，從而延長(zhǎng)樹脂結(jié)合劑磨削工具的使用壽命。

在本實(shí)驗(yàn)中，采用不同的配方和鍍覆工藝在金剛石表面化學(xué)鍍鎳鈷磷合金，并通過SEM和XRD分析各配方和工藝對(duì)鍍層性能的影響。然后對(duì)鍍覆后的金剛石進(jìn)行熱處理，分析熱處理溫度對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

考慮主鹽(氯化鈷和硫酸鎳)濃度比、鍍液pH值對(duì)鍍覆過程的影響，設(shè)定化學(xué)鍍鎳鈷磷的鍍液配方和工藝條件如表1所示[3-5]。硫酸鎳和氯化鈷是溶液的主鹽，提供可還原的鈷離子和鎳離子，它們能與檸檬酸鈉發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成絡(luò)合離子；還原劑次亞磷酸可以將硫酸鎳和氯化鈷還原成鈷和鎳，同時(shí)磷以單質(zhì)的形式析出，三者的共沉淀形成了鎳鈷磷合金鍍層。

鍍液的具體配置步驟[6]如下：

(1)根據(jù)表1所示的方案，計(jì)算所需的主鹽(鎳鹽、鈷鹽)和添加劑(還原劑次亞磷酸鈉、絡(luò)合劑檸檬酸鈉、緩沖劑、穩(wěn)定劑)質(zhì)量，準(zhǔn)確稱取相應(yīng)質(zhì)量的試劑，并分別用少量去離子水溶解；

(2)將步驟(1)中已完全溶解的鎳鹽、鈷鹽溶液，在不斷攪拌下分別倒入含絡(luò)合劑的溶液中；

(3)在快速的攪拌下，將已經(jīng)充分溶解的還原劑溶液倒入第(2)步中已經(jīng)配制好的溶液中；

(4)將緩沖溶液、穩(wěn)定劑溶液攪拌至完全溶解，再依次倒入按第(3)步配制好的溶液中；

(5)用氨水調(diào)整溶液的pH至設(shè)定值；

(6)用去離子水稀釋至計(jì)算體積；

(7)仔細(xì)過濾溶液，待用。

在配制鎳鈷磷化學(xué)鍍鍍液時(shí)，需嚴(yán)格按照以上順序進(jìn)行，否則配置的鍍液可能無法滿足實(shí)驗(yàn)要求：如將pH值調(diào)整劑的氨水溶液加入到不含絡(luò)合劑、僅含有還原劑的鎳鹽溶液中，不僅會(huì)生成鎳的氫氧化物，而且還會(huì)還原出鎳的顆粒狀沉淀。

在配制過程中務(wù)必持續(xù)攪拌，以防止在鍍液中生成人眼難以覺察的鎳的化合物。在加入氨水調(diào)節(jié)pH值時(shí)，需要?jiǎng)×覕嚢瑁欢尤肫渌噭r(shí)，應(yīng)緩慢攪拌、少量多次加入，否則會(huì)造成鍍液局部pH值過高，生成氫氧化鎳沉淀。

實(shí)驗(yàn)使用JR1型人造金剛石，粒度號(hào)為120/140。

表1 化學(xué)鍍鎳鈷磷的鍍液配方及工藝條件

2 結(jié)果與分析

使用表1中給出的工藝條件在人造金剛石表面進(jìn)行化學(xué)鍍實(shí)驗(yàn)，各配方得出的鍍層表面狀況如表2所示。從表2中可以得出：最佳配方和工藝參數(shù)為1號(hào)方案所給出的條件，即氯化鈷11.8 g/L，硫酸鎳8.7 g/L，次亞磷酸鈉18 g/L，檸檬酸鈉50 g/L，硫酸銨60 g/L ，添加劑1.0 g/L，pH值9.0，溫度76 ℃，時(shí)間2 h。此結(jié)論與文獻(xiàn)[4]～[6]的結(jié)論一致。

表2 不同配方施鍍的金剛石鍍層狀況

為分析鍍層的耐熱性，將在最佳配方和工藝下鍍覆得到的金剛石放入馬弗爐內(nèi)，直接經(jīng)不同溫度熱處理1 h，然后檢測(cè)鍍層質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)的變化。

2.1 pH值與沉積速率的關(guān)系

定義化學(xué)鍍鎳鈷磷的沉積速率：

V=Δm/t

(1)

其中：V表示化學(xué)鍍鎳鈷磷的沉積速率，Δm表示化學(xué)沉積前后金剛石的質(zhì)量變化，t表示沉積時(shí)間。

測(cè)得化學(xué)鍍鎳鈷磷沉積速率與pH值的關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出：在pH值為9.0時(shí)鍍層沉積較快，沉積速率達(dá)22 mg/h。

2.2 金剛石負(fù)載量與鍍后質(zhì)量增加的關(guān)系

在鍍液體積不變的情況下，改變加入鍍液中的金剛石的質(zhì)量。計(jì)算單位體積鍍液承載金剛石的質(zhì)量(金剛石負(fù)載量，W)，并測(cè)量其鍍后增加的質(zhì)量，得到如圖2所示的金剛石負(fù)載量與鍍后質(zhì)量增加的關(guān)系。

從圖2可知：隨金剛石負(fù)載量增大，其鍍后增加的鍍層質(zhì)量增大；但當(dāng)金剛石負(fù)載量超過4.5 g/cm3后，繼續(xù)向鍍液中添加金剛石，增加的鍍層質(zhì)量反而減少。這是因?yàn)樘砑拥慕饎偸馁|(zhì)量超過單位體積的鍍液的負(fù)載量時(shí)，由于攪拌不充分、接觸鍍液不充分等原因，會(huì)造成鍍層不均勻，出現(xiàn)大面積金剛石漏鍍的現(xiàn)象。掌握好金剛石與鍍液體積的最佳比值，才能得到完整的、有球狀鍍層的金剛石。

2.3 熱處理溫度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響

圖3所示為熱處理溫度與鍍層質(zhì)量變化的關(guān)系。由圖3可知：溫度在390 ℃以下時(shí)，隨溫度的升高，鍍層質(zhì)量減少；390～650 ℃時(shí)鍍層質(zhì)量增加，且增加速率先小后大；650～700 ℃時(shí)鍍層質(zhì)量增加，但速率迅速下降。隨著熱處理溫度的升高，鍍層的質(zhì)量發(fā)生變化，其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性需要通過X射線衍射圖譜進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.4 化學(xué)鍍覆球狀鎳鈷磷的表面形貌

使用掃描電鏡觀察使用1號(hào)方案鍍覆后的金剛石表面形貌，其結(jié)果如圖4所示。其中，圖4a和圖4b為使用常規(guī)攪拌器攪拌后得到的鍍層的形貌圖，圖4c和圖4d為使用新型攪拌裝置[7]得到的鍍層的形貌圖。

從圖4a和圖4b可看出：常規(guī)攪拌條件下，金剛石表面有漏鍍現(xiàn)象。這是因?yàn)閿嚢璨痪鶆?，部分金剛石表面未能附著金屬鍍層。從圖4c和圖4d可看出：新型攪拌條件下，金剛石已經(jīng)被鍍層完全包覆，且鍍層致密，形成了形狀不規(guī)則、大小不同的球狀凸起。

2.5 熱處理溫度對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響

圖5是鎳鈷磷鍍層經(jīng)不同溫度熱處理1 h后的XRD圖。鈷元素在鎳鈷磷合金鍍層中不僅可以使沉積層的高溫穩(wěn)定性提升，還能夠使析出相的穩(wěn)定性增強(qiáng)，因此400 ℃熱處理后合金鍍層中只有少量CoP相，衍射譜線仍存在一定的彌散度。隨熱處理溫度的進(jìn)一步升高(達(dá)到500 ℃以上)，CoP相的衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，彌散峰完全消失。這表明鎳鈷磷合金已完全晶化，析出相經(jīng)標(biāo)定為Ni、Ni3P、CoP、Co2P，成為鍍層的穩(wěn)定相，提高了鍍層的耐熱性。鍍覆后的磨料可以在不超過500 ℃條件下制備成金剛石磨具而不損傷鍍層的性能。

3 結(jié)論

經(jīng)過調(diào)整鍍液配方及施鍍工藝，可以在人造金剛石表面鍍覆球形突起的鎳鈷磷合金，并使用XRD分析不同溫度熱處理后鍍層的結(jié)構(gòu)特征，得出以下結(jié)論：

(a) 300 ℃熱處理后鍍層的XRD圖XRD of the coatings treated at 300 ℃(b) 400 ℃熱處理后鍍層的XRD圖XRD of the coatings treated at 400 ℃(c) 500 ℃熱處理后鍍層的XRD圖XRD of the coatings treated at 500 ℃(d) 600 ℃熱處理后鍍層的XRD圖XRD of the coatings treated at 600 ℃(e) 700 ℃熱處理后鍍層的XRD圖XRD of the coatings treated at 700 ℃圖5 金剛石化學(xué)鍍鎳鈷磷合金鍍層熱處理1 h后的XRD結(jié)果Fig. 5 XRD results of the coatings after 1-hour heat treatment

(1)最佳配方和工藝為：氯化鈷11.8 g/L，硫酸鎳8.7 g/L，次亞磷酸鈉18 g/L，檸檬酸鈉50 g/L，硫酸銨60 g/L，添加劑0.1 g/L，pH值9.0，溫度76 ℃，連續(xù)施鍍2 h。在此條件下，可以獲得表面有球形凸起的合金鍍層。

(2)XRD結(jié)果顯示，熱處理后的鍍層組成為結(jié)晶型結(jié)構(gòu)特征。其穩(wěn)定相為晶態(tài)的Ni、Ni3P、CoP、Co2P。