復(fù)合緩沖劑對(duì)低碳鋼砂輪表面鑲嵌金剛石電鍍鎳的影響

賈樹(shù)勇 *，朱威凱，苗春霞

（1.光寶光電(常州)有限公司，江蘇 常州 213000；2.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 常州 213164）

固結(jié)磨料金剛石因具有切割精度高、切片薄、效率高，適合加工超硬材料，對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注[1-2]。與其他固結(jié)磨料的方法相比，復(fù)合電鍍法具有良好的耐熱、耐磨性[3-4]，并且生產(chǎn)成本低[5]?，F(xiàn)有的金剛石電鍍鎳體系所用緩沖劑基本上都是硼酸，因?yàn)榕鹚岬膒H緩沖性能在電鍍體系中最穩(wěn)定，但硼酸的結(jié)晶溫度較低，在溶液中易結(jié)晶，并且結(jié)晶顆粒較大，因此非常容易隨著金屬離子的電沉積而夾雜于鍍層中，造成金剛石鍍層在磨削過(guò)程中易脫落而影響使用壽命。為規(guī)避此類問(wèn)題，通常采用降低硼酸濃度和保持鍍液高溫恒定的手段，然而硼酸濃度過(guò)低會(huì)引起鍍液 pH不穩(wěn)定，并且高溫會(huì)導(dǎo)致能耗高、溶液蒸發(fā)過(guò)快等問(wèn)題。因此，本文提出了采用硼酸為主緩沖劑，檸檬酸鈉作為輔助緩沖劑的工藝，并開(kāi)展了相關(guān)的性能測(cè)試，以期對(duì)提升金剛石電鍍鎳層品質(zhì)、金剛石磨具耐磨性和使用壽命等具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

將中位徑(D50)在20 μm左右的金剛石顆粒按照文獻(xiàn)[6]的工藝流程進(jìn)行預(yù)鍍鎳，鍍層厚度為0.5 μm左右，再將預(yù)鍍鎳后的金剛石按1.5 g/cm2的工藝要求均勻分布于直徑為150 mm的低碳鋼砂輪基體邊緣，并對(duì)基體其余部分進(jìn)行絕緣屏蔽，采用常規(guī)電鍍鎳工藝對(duì)金剛石和基體同時(shí)鍍鎳，實(shí)現(xiàn)以鎳層為粘接劑及金剛石與基體牢固結(jié)合。

1.2 鍍液組成和工藝條件

采用常規(guī)的瓦特鍍鎳體系進(jìn)行電鍍，鍍液組成為：六水合硫酸鎳200 g/L，六水合氯化鎳35 g/L，1,4?丁炔二醇0.5 g/L，十二烷基硫酸鈉0.1 g/L，采用30 g/L硼酸或15 g/L硼酸 + 20 g/L檸檬酸鈉作為緩蝕劑。電鍍過(guò)程中采用空氣攪拌，空氣通入速率為1 L/min，pH為4.5，溫度為15 °C。

1.3 性能測(cè)試

采用上海雷磁PHS-2F酸堿度儀檢測(cè)鍍液pH。采用日本電子JS-3000掃描電鏡觀察鍍層形貌。采用牛津電子能譜儀分析鍍層成分。鍍層結(jié)合力測(cè)試采用文獻(xiàn)[7]中的熱震法：將在不同工藝下電鍍好的金剛石砂輪放入馬弗爐中以500 °C溫度熱處理15 min，隨后迅速投入20 °C水中冷卻，重復(fù)以上步驟直至鍍鎳層出現(xiàn)脫落，計(jì)錄從開(kāi)始試驗(yàn)至出現(xiàn)鍍層脫落時(shí)熱震的次數(shù)。采用常規(guī)滴定分析法檢測(cè)硼酸質(zhì)量濃度：用移液管吸取1.0 mL待測(cè)溶液放入250 mL錐形瓶中，加入40 mL 100 g/L的甘露醇，加入10 mL 1 mol/L的草酸鉀，加入3 ～ 5滴0.1%溴甲酚紫指示劑，用1.0 mol/L NaOH滴定，溶液由綠色轉(zhuǎn)變成藍(lán)色為終點(diǎn)，NaOH的消耗量(單位：mL)乘以硼酸的摩爾質(zhì)量(61.84 g/mol)即為硼酸的質(zhì)量濃度(單位：g/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合緩沖劑對(duì)鍍層結(jié)合力的影響

為取得測(cè)試結(jié)論的穩(wěn)定性，每種工藝試制樣品10組，取10組試驗(yàn)的平均次數(shù)評(píng)判鍍層的結(jié)合力，結(jié)果見(jiàn)表1。采用硼酸單一緩沖劑的樣品在熱震試驗(yàn)14次后鍍層出現(xiàn)脫落或粉碎，而采用復(fù)合緩沖劑的樣品在熱震試驗(yàn)20次后才出現(xiàn)鍍層脫皮或粉碎，整體結(jié)合力提升了至少40%，這有助于提升金剛石磨具的耐磨性和使用壽命。

表1 采用不同緩沖劑時(shí)所得鍍層的熱震試驗(yàn)結(jié)果(電流密度1.5 A/dm2，時(shí)間60 min)Table 1 Result of thermal shock test for coatings obtained from baths with different buffers(current density 1.5 A/dm2, time 60 min)

2.2 復(fù)合緩沖劑對(duì)鍍液pH穩(wěn)定性的影響

在其他參數(shù)相同的條件下，隨電流密度增大，鍍液中的陰極副反應(yīng)加強(qiáng)，析氫加劇，導(dǎo)致鍍液的氫離子減少，pH穩(wěn)定性變差。從圖1可以看出，隨著電流密度的增大或電鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，單一硼酸緩沖體系的鍍液pH上升較快，而添加檸檬酸鈉后，鍍液pH的波動(dòng)幅度較小，只是平緩上升，整體穩(wěn)定。圖2則表明隨著電流密度的增大或電鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，單一硼酸緩沖體系鍍液中硼酸的質(zhì)量濃度降低較快(60 min后至少下降了0.65%)，對(duì)鍍液pH的緩沖能力減弱。添加檸檬酸鈉后硼酸在鍍液中的損耗較小，其質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定(60 min后至多下降了0.47%)，這是因?yàn)闄幟仕徕c具有抑氫作用，阻止了氫氣的產(chǎn)生[8]。

2.3 復(fù)合緩沖劑對(duì)鍍層成分的影響

從圖3a可知，采用硼酸單一緩沖劑的樣品，鍍層中除了Ni元素外，還有B、S等元素，并且B含量占比高達(dá)3.5%。而圖3b顯示，采用檸檬酸鈉和硼酸復(fù)合緩沖劑的樣品，鍍層中除了Ni元素外，只含有S和Si，不含B。至于是什么原因?qū)е洛儗又袏A雜了微量Si和Mn，有待后續(xù)工作中深入探討。

圖1 不同電流密度下采用單一硼酸(a)或硼酸+檸檬酸鈉(b)作為緩沖劑時(shí)鍍液pH隨電鍍時(shí)間的變化Figure 1 Variation of pH with time when electroplating in a bath with boric acid (a) or boric acid + sodium citrate (b)as buffer at different current densities

圖2 不同電流密度下采用單一硼酸(a)或硼酸+檸檬酸鈉(b)作為緩沖劑時(shí)鍍液中硼酸質(zhì)量濃度隨電鍍時(shí)間的變化Figure 2 Variation of mass concentration of boric acid in bath with time when electroplating with boric acid (a)or boric acid + sodium citrate (b) as buffer at different current densities

圖3 采用單一硼酸(a)或硼酸+檸檬酸鈉(b)作為緩沖劑時(shí)金剛石表面鎳鍍層的能譜圖Figure 3 Energy-dispersive spectra for nickel coatings electroplated on diamonds from a bath with boric acid (a) or boric acid + sodium citrate (b) as buffer

3 結(jié)論

(1) 采用檸檬酸鈉和硼酸復(fù)配的緩沖劑可以有效提升金剛石電鍍鎳的鍍層結(jié)合力。

(2) 檸檬酸鈉和硼酸復(fù)配的緩沖劑可以有效解決硼在電鍍過(guò)程中夾雜在金屬鍍層中的問(wèn)題，同時(shí)確保鍍液體系的pH穩(wěn)定。