金剛石粒度對金剛石鍍鎳的影響

方莉俐*，薛麗沙

（中原工學院，河南 鄭州 450007）

金剛石磨具以其磨料的高硬度、高強度、高耐磨性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于切削、磨削、鉆探等領(lǐng)域。但金剛石和大多數(shù)金屬、合金、陶瓷甚至樹脂結(jié)合劑之間的高界面能，決定了磨具中的金剛石顆粒只是被機械地包覆在結(jié)合劑基體中[1]。當金剛石磨具受到磨削力的作用，磨粒還沒被磨露到最大截面時，金剛石顆粒就因失去基體的包裹而自行脫落，從而降低了金剛石工具的使用壽命和效率。金剛石表面金屬化常用的方法有化學鍍加電鍍、真空蒸鍍、等離子濺射等，鍍覆金屬包括了Fe、Cu、Co、Ni 等。化學鍍鎳可降低鍍鎳金剛石粉體與結(jié)合劑基體之間的表面能差異，增強金剛石與結(jié)合劑基體間的結(jié)合力，減少金剛石脫落，從而提高金剛石粉體材料的利用率[2]。金剛石鍍鎳除了與磨具種類和用途有關(guān)外，還與金剛石粒度有關(guān)，其主要影響金剛石工具的使用壽命和效率[3-4]。本文采用靜態(tài)激光衍射技術(shù)研究金剛石的實際平均粒徑，并結(jié)合鍍鎳金剛石的SEM 照片，分析粒度不同引起的鎳表面的差異，討論了金剛石粒度對鍍鎳金剛石品質(zhì)的影響。

1 實驗

1.1 工藝流程

采用JR1 型人造金剛石，其粒度為120/140、140/170、200/230 和325/400 目，粒度號越大，顆粒越小。具體工藝流程為：除油→水洗→親水化→水洗→敏化→水洗→活化→水洗→化學預(yù)鍍鎳→電鍍鎳[5-6]。

1.1.1 除油

先將金剛石顆粒置于10 g/L NaOH 溶液中機械攪拌30 min，再用去離子水洗4 ~ 5 次。

1.1.2 親水化

用質(zhì)量分數(shù)為10%的稀硝酸機械攪拌30 min，再用去離子水洗4 ~ 5 次。

1.1.3 敏化

用0.5 g/L SnCl2+ 40 mL/L 鹽酸溶液敏化處理金剛石30 min，再用去離子水洗4 ~ 5 次至中性。

1.1.4 活化

用0.5 g/L PdCl2+ 10 mL/L 鹽酸溶液活化金剛石30 min，再用去離子水洗4 ~ 5 次至中性。

1.1.5 化學預(yù)鍍鎳

無水氯化鎳10 g/L，次磷酸鈉36 g/L，琥珀酸鈉20 g/L，金剛石加載量160 g，溫度80 °C，攪拌速率100 r/min，時間3 h。

1.1.6 電鍍鎳

六水硫酸鎳200 ~ 300 g/L，無水氯化鎳20 ~ 40 g/L，硼酸30 ~ 35 g/L，鍍瓶轉(zhuǎn)速為0 ~ 23 r/min，電流1.5 A，時間5 h。圖1 為電鍍鎳裝置示意圖[5]。

1.2 性能檢測

以金剛石顆粒的增重率表征鍍速，先用上海佑科儀器儀表有限公司的FA2004 型電子天平測量電鍍鎳后金剛石的實際增重，再計算其增重率[7]；用FEI Quanta 250 環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍鎳金剛石的表面形貌；用麥奇克S3500SI 激光粒度粒形分析儀測試金剛石的粒徑，儀器參數(shù)設(shè)定為：顆粒折射率2.42，水折射率1.33，顆粒形狀不規(guī)則。分散劑選擇2 ~ 5 g/L 的六偏磷酸鈉溶液，檢測前對金剛石懸浮液超聲分散5 min[8]；按JB/T 7988.1–1999《超硬磨料抗壓強度測定方法》，用鄭州磨料磨具磨削研究所生產(chǎn)的DKY-B 型金剛石單顆粒抗壓強度測定儀測量金剛石的抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 金剛石粒度對鍍鎳金剛石增重的影響

在電流1.5 A 下電鍍鎳5 h，金剛石粒度與鍍速之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 金剛石粒度與鍍速的關(guān)系Figure 2 Relationship between size of diamond particles and electroplating rate

由圖2 可知，隨著金剛石粒度的增大，金剛石的增重率(即鍍速)增大。這是因為在電鍍過程中，鍍槽內(nèi)理想的磨粒總面積是該批料所有磨粒的表面積總和，而表面積又與顆粒形狀、粒度密切相關(guān)。磨粒在滾鍍槽中受鍍，電流大部分消耗在最上一層的磨粒上[7]。對于相同質(zhì)量的金剛石，粒度越大，總表面積越大，隨著鍍瓶滾動，與陰極銅絲的接觸面越大，電流效率越高，鎳離子在金剛石表面被還原的速率就越快，因而鍍速增大。

2.2 鍍鎳前后金剛石的形貌變化

圖3 所示為不同粒度金剛石鍍鎳前后的形貌。從圖3 可以看出，未鍍金剛石表面平整光滑，棱角清楚；金剛石粒度越大，形狀越不規(guī)則，表面越不光滑。電鍍鎳后的金剛石宏觀上呈烏黑色，鎳鍍層致密、均勻，基本沒有漏鍍現(xiàn)象；金剛石粒度越大，鍍層對金剛石的包覆效果越好。

圖3 不同粒度金剛石鍍鎳前后的SEM 照片(×1 500)Figure 3 SEM images of diamonds with different particle size before and after nickel plating (×1 500)

2.3 金剛石粒度對鍍鎳金剛石平均粒徑的影響

鍍鎳金剛石平均粒徑與金剛石粒度的關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可知，與未鍍鎳金剛石相比，鍍鎳金剛石平均粒徑的增大幅度在0.3% ~ 7.5%之間。隨著金剛石粒度的增大，鍍鎳金剛石的平均粒徑增長率增大，鍍層厚度增大。這與2.1 的結(jié)論一致。

2.4 金剛石粒度對鍍鎳金剛石平均抗壓強度的影響

鍍鎳金剛石平均抗壓強度與金剛石粒度的關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知，鍍鎳金剛石的平均抗壓強度明顯高于未鍍鎳金剛石。因為金剛石破碎時，壓砧與金剛石接觸表面的缺陷或微裂紋處是微裂紋擴展的起始位置，也是高應(yīng)力集中區(qū)。在外力尚未達到金剛石的破碎強度時，裂紋尖端的局部應(yīng)力就足以使裂紋擴展，導致金剛石過早破碎[9]。人造金剛石表面有裂紋和缺陷，電鍍過程中鎳金屬可以填隙、補平或包覆金剛石表面，減少或消除表面缺陷，削弱了受力時的應(yīng)力集中，從而提高了金剛石的抗壓強度[10]。從圖5 還可看出，隨著金剛石粒度的增大，鍍鎳金剛石的平均抗壓強度增長率減小。

圖4 金剛石粒度與鍍鎳金剛石平均粒徑的關(guān)系Figure 4 Relationship between size of diamond particles and average diameter of nickel plated ones

圖5 金剛石粒度與鍍鎳金剛石平均抗壓強度的關(guān)系Figure 5 Relationship between sized of diamond particles and average compressive strength of nickel plated ones

圖6 是鍍鎳金剛石的高倍SEM 照片。從中可以看出，隨金剛石粒度增大，鎳層厚度增大，晶粒增大[11]。鎳層的結(jié)晶組織越致密、細小，則內(nèi)應(yīng)力越高[12]。因此隨著金剛石粒度增大，鎳層內(nèi)應(yīng)力增大，金剛石更容易破碎，因而抗壓強度的增大幅度降低。

圖6 不同粒度鍍鎳金剛石的高倍SEM 照片F(xiàn)igure 6 Highly-magnified SEM images of nickel plated diamond with different particle size

3 結(jié)論

對人造金剛石化學預(yù)鍍薄鎳后，再加厚電鍍鎳，可在金剛石表面得到均勻、致密完整包覆的鎳層。隨著金剛石粒度的增大，鍍速增大，鍍鎳金剛石的平均粒徑和抗壓強度的增長率增大。

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