隨著制造業(yè)向高端轉(zhuǎn)型、清潔能源領(lǐng)域的迅速發(fā)展以及半導(dǎo)體和光伏行業(yè)發(fā)展，具備高效能和高精度加工能力的金剛石工具需求日益增長(zhǎng)，但人造金剛石微粉作為金剛石工具最重要的原料，存在與基體把持力不強(qiáng)、易提前碳化而造成的工具壽命不長(zhǎng)等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，業(yè)界普遍采用在金剛石微粉表面鍍覆金屬材料的技術(shù)手段，來(lái)改善其表面特性，增強(qiáng)耐用性，從而提升整體工具的質(zhì)量。

       目前金剛石微粉表面鍍覆方法較多，包括化學(xué)鍍、電鍍、磁控濺射鍍、真空微蒸發(fā)鍍、熱爆反應(yīng)等，其中化學(xué)鍍和電鍍憑借工藝成熟、鍍層均勻、可精確控制鍍層的成分和厚度、可定制化鍍層的優(yōu)勢(shì)，成為了產(chǎn)業(yè)界最常用的兩種技術(shù)手段。

       一、化學(xué)鍍

       金剛石微粉化學(xué)鍍是將處理過(guò)的金剛石微粉放入化學(xué)鍍液中，通過(guò)化學(xué)鍍液中還原劑作用將鍍液中金屬離子催化還原沉積在金剛石表面，形成致密的金屬鍍層。目前金剛石化學(xué)鍍使用最為廣泛的是化學(xué)鍍鎳-磷（Ni-P）二元合金通常稱化學(xué)鍍鎳。

       01化學(xué)鍍鎳鍍液成分

       化學(xué)鍍液的組成對(duì)其化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行、穩(wěn)定性及鍍層質(zhì)量有著決定性的影響，通常其包含主鹽、還原劑、絡(luò)合劑、緩沖劑、穩(wěn)定劑、加速劑、表面活性劑等多種成分，每種成分的比例需精心調(diào)整，以達(dá)到最佳的鍍層效果。

       1、主鹽：通常為硫酸鎳、氯化鎳、氨基磺酸鎳、碳酸鎳等，其主要作用是提供鎳源。

       2、還原劑：主要提供原子氫，將鍍液中Ni2+還原成Ni并沉積在金剛石顆粒表面，是鍍液中最主要成分，工業(yè)上主要采用還原能力強(qiáng)、成本低、鍍液穩(wěn)定性好的次磷酸鈉作為還原劑，該還原體系在低溫和高溫下都能實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍍。

       3、絡(luò)合劑：可以鍍液析出沉淀，增強(qiáng)鍍液穩(wěn)定性，延長(zhǎng)鍍液使用壽命，提高鎳的沉積速度，改善鍍層品質(zhì)，一般采用有丁二酸、檸檬酸、乳酸等有機(jī)酸及其鹽類。

       4、其他成分：穩(wěn)定劑可以抑制鍍液分解，但由于會(huì)影響化學(xué)鍍反應(yīng)的發(fā)生，需要適量使用；緩沖劑在化學(xué)鍍鎳反應(yīng)過(guò)程中可以產(chǎn)生H+，確保pH值的持續(xù)穩(wěn)定；表面活性劑能夠降低鍍層孔隙率。

       02化學(xué)鍍鎳過(guò)程

       次磷酸鈉體系化學(xué)鍍要求基體必須具備一定的催化活性，而金剛石表面本身不具有催化活性中心，因此，在對(duì)金剛石微粉化學(xué)鍍前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。化學(xué)鍍傳統(tǒng)的預(yù)處理方式依次為除油、粗化、敏化、活化。

       （1）除油、粗化：除油主要是為了清除金剛石微粉表面的油脂、污漬和其他有機(jī)污染物，保證后續(xù)鍍層的緊密貼合與良好性能。而粗化可以讓金剛石表面形成一些微小凹坑和裂隙，增加金剛石的表面粗糙度，既有利于金屬離子在該處的吸附，便于后續(xù)化學(xué)鍍及電鍍的進(jìn)行，也可在金剛石表面形成臺(tái)階，為化學(xué)鍍或電鍍金屬沉積層的生長(zhǎng)提供了有利條件。

       通常，除油步驟通常采取NaOH等堿性溶液作為除油液，粗化則采用硝酸等酸性溶液作為粗化液對(duì)金剛石表面進(jìn)行蝕刻。另外，這兩個(gè)環(huán)節(jié)都宜配合超聲波清洗機(jī)使用，有利于提高金剛石微粉的除油及粗化的效率，節(jié)省在除油及粗化過(guò)程的時(shí)間，并保障除油及粗話的效果，

       （2）敏化、活化：敏化和活化工藝是整個(gè)化學(xué)鍍過(guò)程中最為關(guān)鍵的一步，它直接關(guān)系到化學(xué)鍍能否進(jìn)行。其中敏化是為了在本身并不具備自催化能力的金剛石微粉表面吸附易氧化的物質(zhì)。而活化是為了在金剛石微粉顆粒表面吸附對(duì)次磷酸的氧化和鎳粒子的還原具有催化活性的金屬離子（如金屬鈀），以加速鍍層在金剛石微粉表面沉積速率。

       一般來(lái)說(shuō)，敏化和活化處理時(shí)間過(guò)短，金剛石表面金屬鈀質(zhì)點(diǎn)形成的比較少，對(duì)鍍層的吸附力不足，形成的鍍層容易脫落或難以形成完整的鍍覆層，而處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)造成鈀質(zhì)點(diǎn)浪費(fèi)，因此，敏化和活化處理最佳時(shí)間為20～30min。

       （3）化學(xué)鍍鎳：化學(xué)鍍鎳過(guò)程除了受到鍍液成分的影響，也受到鍍液溫度和PH值的影響。傳統(tǒng)的高溫化學(xué)鍍鎳，一般溫度會(huì)在80～85℃，超過(guò)85℃容易造成鍍液分解，而在低于85℃時(shí)溫度越高，反應(yīng)速率越快。而在PH值上，隨著pH值升高鍍層沉積速率會(huì)升高，但pH值升高同樣會(huì)造成鎳鹽沉淀物生成抑制化學(xué)反應(yīng)速率，因此在化學(xué)鍍鎳過(guò)程中需要通過(guò)優(yōu)化化學(xué)鍍鍍液成分及配比、化學(xué)鍍工藝條件，掌控提升化學(xué)鍍層沉積速率、鍍層密度、鍍層耐腐蝕性、鍍層致密度的方法，從而鍍覆出滿足工業(yè)發(fā)展需求的金剛石微粉。

       此外，單次鍍覆可能無(wú)法達(dá)到理想的鍍層厚度，且可能會(huì)出現(xiàn)氣泡、針孔等缺陷，因此可采取多次鍍覆來(lái)提升鍍層質(zhì)量和增加鍍覆金剛石微粉的分散性。

       二、電鍍鎳

       由于金剛石化學(xué)鍍鎳后，鍍層中存在磷，導(dǎo)致導(dǎo)電性能較差，影響金剛石工具的上砂工藝（將金剛石顆粒固定于基體表面的過(guò)程），因此可采用電鍍鎳的方式鍍上一層不含磷的鍍層。具體操作是將金剛石微粉放入含有鎳離子的鍍液中，金剛石顆粒與電源負(fù)極接觸成為陰極，鎳金屬塊體浸入鍍液中且與電源正極相連成為陽(yáng)極，通過(guò)電解作用，使鍍液中游離的鎳離子在金剛石表面被還原成原子，原子生長(zhǎng)為鍍層。

       01電鍍液成分

       與化學(xué)鍍液一樣，電鍍液主要為電鍍過(guò)程提供必要的金屬離子，控制鎳沉積過(guò)程以獲得所需的金屬涂層，其主要成分包括主鹽、陽(yáng)極活性劑、緩沖劑、添加劑等。

       （1）主鹽：主要采用硫酸鎳、氨基磺酸鎳等。通常，主鹽濃度越高，在鍍液中擴(kuò)散越快，電流效率越高，金屬沉積速率加快，但鍍層晶粒會(huì)變得粗大，鍍層分散能力下降；而主鹽濃度過(guò)低，鍍液的導(dǎo)電性會(huì)越差，鍍液溫度升高快，不易控制。

       （2）陽(yáng)極活性劑：由于陽(yáng)極易鈍化，容易導(dǎo)電不良，影響電流分布的均勻性，因此需要加入氯化鎳、氯化鈉等作為陽(yáng)極活化劑促進(jìn)陽(yáng)極活化，提高陽(yáng)極開(kāi)始鈍化的電流密度。

       （3）緩沖劑：與化學(xué)鍍液一樣，緩沖劑能維持鍍液和陰極pH相對(duì)穩(wěn)定，使其在電鍍工藝允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。常見(jiàn)的緩沖劑有硼酸、醋酸、碳酸氫鈉等。

       （4）其他添加劑：電鍍液中還可根據(jù)鍍層的需求，加入適量光亮劑、整平劑、濕潤(rùn)劑和除雜劑等添加劑改善鍍層品質(zhì)。

       02金剛石電鍍鎳流程

       1、電鍍前預(yù)處理：金剛石往往不導(dǎo)電，需要通過(guò)其他鍍覆工藝在金剛石上鍍覆一層金屬后進(jìn)行電鍍，常使用化學(xué)鍍方法預(yù)鍍一層金屬再電鍍加厚，因此化學(xué)鍍層的品質(zhì)在一定程度會(huì)影響電鍍鍍層的品質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)鍍后鍍層中磷含量對(duì)鍍層品質(zhì)影響較大，高磷鍍層在酸性環(huán)境下耐蝕性相對(duì)更好，鍍層表面瘤狀凸起較多，表面粗糙度大，沒(méi)有磁性；中磷鍍層既耐腐蝕又耐磨；低磷鍍層則導(dǎo)電性相對(duì)更好。

       除此之外，粒度越小的金剛石微粉其比表面積越大，在進(jìn)行鍍覆時(shí)，在鍍液中易漂浮，會(huì)產(chǎn)生漏鍍、退鍍、鍍層疏松等現(xiàn)象，在電鍍前，需要通過(guò)化學(xué)鍍控制鎳磷層中P含量和鍍層質(zhì)量，來(lái)控制金剛石微粉的導(dǎo)電性和密度來(lái)改善微粉易漂浮的問(wèn)題。

       2、電鍍鎳：目前金剛石微粉電鍍常采用滾鍍法，即在鍍瓶中加入適量的電鍍液，將一定量的人造金剛石微粉加入電鍍液中，通過(guò)鍍瓶的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鍍瓶中金剛石微粉滾動(dòng)。同時(shí)，將正電極與鎳塊相連，負(fù)電極與人造金剛石微粉相連，在電場(chǎng)的作用下，游離在鍍液中的鎳離子在人造金剛石微粉表面形成金屬鎳。不過(guò)該種方法存在鍍覆效率低、鍍層不均勻的問(wèn)題，因此旋轉(zhuǎn)電極法應(yīng)運(yùn)而生。

       旋轉(zhuǎn)電極法是在金剛石微粉電鍍時(shí)使陰極旋轉(zhuǎn)，這種方式可以增加電極與金剛石顆粒的接觸面積，增加顆粒間的均勻?qū)剩纳棋儗硬痪鶆颥F(xiàn)象，提高金剛石 鍍鎳的生產(chǎn)效率。

       小結(jié)

       作為金剛石工具的主要原料，金剛石微粉的表面改性是增強(qiáng)與基體把持力，提升工具使用壽命的重要手段。為提高金剛石工具的上砂速率，通常可采用化學(xué)鍍的方式在金剛石微粉表面鍍上一層鎳磷層使其具備一定導(dǎo)電性，再通過(guò)電鍍鎳的方式加厚鍍層，并增強(qiáng)導(dǎo)電性。不過(guò)需要注意的是，有金剛石表面本身不具有催化活性中心，因此，在對(duì)金剛石微粉化學(xué)鍍前還需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

       參考文獻(xiàn)：

       劉韓.人造金剛石微粉表面鍍覆工藝及品質(zhì)研究[D].中原工學(xué)院.

       楊彪,楊軍,袁光生.金剛石表面鍍覆前處理工藝研究[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化.

       李靖華.線鋸用人造金剛石微粉表面改性及應(yīng)用研究[D].中原工學(xué)院.

       方莉俐,鄭蓮,吳艷飛,等.人造金剛石表面化學(xué)鍍鎳工藝[J].人工晶體學(xué)報(bào).