復合緩沖劑對低碳鋼砂輪表面鑲嵌金剛石電鍍鎳的影響

賈樹勇 *，朱威凱，苗春霞

（1.光寶光電(常州)有限公司，江蘇 常州 213000；2.常州大學材料科學與工程學院，江蘇省光伏科學與工程協同創新中心，江蘇 常州 213164）

固結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，對環境污染小等優點，受到國內外研究者的關注[1-2]。與其他固結磨料的方法相比，復合電鍍法具有良好的耐熱、耐磨性[3-4]，并且生產成本低[5]。現有的金剛石電鍍鎳體系所用緩沖劑基本上都是硼酸，因為硼酸的pH緩沖性能在電鍍體系中最穩定，但硼酸的結晶溫度較低，在溶液中易結晶，并且結晶顆粒較大，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程中易脫落而影響使用壽命。為規避此類問題，通常采用降低硼酸濃度和保持鍍液高溫恒定的手段，然而硼酸濃度過低會引起鍍液 pH不穩定，并且高溫會導致能耗高、溶液蒸發過快等問題。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，并開展了相關的性能測試，以期對提升金剛石電鍍鎳層品質、金剛石磨具耐磨性和使用壽命等具有實際的指導意義。

1 實驗

1.1 材料

將中位徑(D50)在20 μm左右的金剛石顆粒按照文獻[6]的工藝流程進行預鍍鎳，鍍層厚度為0.5 μm左右，再將預鍍鎳后的金剛石按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，并對基體其余部分進行絕緣屏蔽，采用常規電鍍鎳工藝對金剛石和基體同時鍍鎳，實現以鎳層為粘接劑及金剛石與基體牢固結合。

1.2 鍍液組成和工藝條件

采用常規的瓦特鍍鎳體系進行電鍍，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 性能測試

采用上海雷磁PHS-2F酸堿度儀檢測鍍液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。鍍層結合力測試采用文獻[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，重復以上步驟直至鍍鎳層出現脫落，計錄從開始試驗至出現鍍層脫落時熱震的次數。采用常規滴定分析法檢測硼酸質量濃度：用移液管吸取1.0 mL待測溶液放入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，溶液由綠色轉變成藍色為終點，NaOH的消耗量(單位：mL)乘以硼酸的摩爾質量(61.84 g/mol)即為硼酸的質量濃度(單位：g/L)。

2 結果與討論

2.1 復合緩沖劑對鍍層結合力的影響

為取得測試結論的穩定性，每種工藝試制樣品10組，取10組試驗的平均次數評判鍍層的結合力，結果見表1。采用硼酸單一緩沖劑的樣品在熱震試驗14次后鍍層出現脫落或粉碎，而采用復合緩沖劑的樣品在熱震試驗20次后才出現鍍層脫皮或粉碎，整體結合力提升了至少40%，這有助于提升金剛石磨具的耐磨性和使用壽命。

表1 采用不同緩沖劑時所得鍍層的熱震試驗結果(電流密度1.5 A/dm2，時間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 復合緩沖劑對鍍液pH穩定性的影響

在其他參數相同的條件下，隨電流密度增大，鍍液中的陰極副反應加強，析氫加劇，導致鍍液的氫離子減少，pH穩定性變差。從圖1可以看出，隨著電流密度的增大或電鍍時間的延長，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的波動幅度較小，只是平緩上升，整體穩定。圖2則表明隨著電流密度的增大或電鍍時間的延長，單一硼酸緩沖體系鍍液中硼酸的質量濃度降低較快(60 min后至少下降了0.65%)，對鍍液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，其質量濃度相對穩定(60 min后至多下降了0.47%)，這是因為檸檬酸鈉具有抑氫作用，阻止了氫氣的產生[8]。

2.3 復合緩沖劑對鍍層成分的影響

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3.5%。而圖3b顯示，采用檸檬酸鈉和硼酸復合緩沖劑的樣品，鍍層中除了Ni元素外，只含有S和Si，不含B。至于是什么原因導致鍍層中夾雜了微量Si和Mn，有待后續工作中深入探討。

圖1 不同電流密度下采用單一硼酸(a)或硼酸+檸檬酸鈉(b)作為緩沖劑時鍍液pH隨電鍍時間的變化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)作為緩沖劑時鍍液中硼酸質量濃度隨電鍍時間的變化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 結論

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

(2) 檸檬酸鈉和硼酸復配的緩沖劑可以有效解決硼在電鍍過程中夾雜在金屬鍍層中的問題，同時確保鍍液體系的pH穩定。