O 引 言 在金刚石表面镀覆一层金属能赋予金刚石许多新的特性：提高了金刚石的强度、金刚石与基体的界面结合能力、隔氧保护、减轻金刚石热损伤程度、改善金刚石与基体界面的物理化学性能，还能提高金刚石工具的耐磨性和切削能力。另外，还可将电镀过的金刚石颗粒焊接到其他基体上，以便利用。将设计一种多用途的电镀装置，在金刚石表面镀覆金属。这种装置以其投料少，搅拌均匀，能防止金刚石镀覆过程中结块、镀层不均匀等问题，本装置特别适合于实验室小规模电镀金刚石。解决了人工镀膜时间长的缺点，而且用本装置镀膜比人工镀膜均匀，膜的厚度容易控制。详细地说明了本装置的结构及其特性。介绍了化学镀、电镀工艺的规范和化学镀、电镀的过程中要注意的一些问题，并对电镀前后的金刚石颗粒进行拍照对比。利用本装置，选择合适的电镀工艺，就可以生产出比较理想膜厚的金刚石颗粒，镀膜的厚度可以控制在10一200µm的均匀金属镀层，甚至更厚，镀层的厚度可以应用文中的方法计算。在电镀中常出现厚度不够、漏镀等问题，文中提供了补镀和修补镀的工艺和方法。 1 电镀金刚石装置 装置被固定在铁架台上，主要部件如图1所示，主要有六部分组成：恒温水箱、带夹子的齿轮、电动机、锥形瓶、阴极、阳极、导线管及稳压电源。
镀覆过程中锥形瓶成40°～45°倾角，由图2可以得出以下关系，若颗粒不滚动，则： a≤B/2 a≤(1／2)·(2π／n) 式中，n为多边形颗粒的边数。所以，此时颗粒的运动可能发生下列情况：
1)当颗粒的形状为圆形或接近圆形时，β>2a。则重力向量在晶体侧棱之外通过，颗粒在斜面上滚动；2)当a<φ和a>β/2，颗粒沿斜面滚动；3)当a>φ和a>β/2，颗粒沿斜面既滑动又滚动，妒为摩擦角。因此锥形瓶必须倾斜成一定的角度。 电极由导线通过导线管与电源相连，由此可以控制电流的大小。需要指出的是阴极只能在插入金刚石粒群的底部露出一点电极。这样靠金刚石间相互接触导电，使电流在表层分布均匀，保证镀覆质量。如用全裸露的阴极或板状阴极，则电流过于集中，影响均匀镀覆，并会发生金刚石被粘镀在阴极上的现象。另外，最好把阴极和阳极弯曲平行放置，这样可以使更多的阳极置人电镀液中。 齿轮上焊有4个立柱对称分布，柱上有两个夹子，每端有一个紧固螺钉，作固定锥形瓶用。齿轮中间是一个轴承，轴承固定在转轴上。阴、阳极也通过转轴并固定在其上，而齿轮则可以带动锥形瓶转动。 电动机为可调速电动机，可控制锥形瓶的转动速度。转动速度不应过慢，以防镀膜表面形成针孔和不均匀。从流体力学分析，固液相两流体中流畅分布将对沉积薄膜的均匀性产生很大的影响。 2试验 2．1镀前预处理及化学镀 镀前对金刚石进行清洗、粗化、敏化、活化及还原等处理，然后再进行化学镀Ni。 工艺流程：金刚石原料一除油一水洗一敏化一水洗一活化一水洗一还原一化学镀Ni一水洗一烘干。整个过程在室温下进行。 2．1．1镀前预处理 1)除油采用碱性除油，在10％NaOH溶液中，并加入少量的非离子表面活性剂煮沸30min，用蒸馏水冲洗2—3次，除去金刚石表面的油脂等污物。 2)粗化用稀HNO3煮沸20min，蒸馏水洗2～3次。 3)敏化lOg／LSnCl2·2H20，20ml／LHCl，时间3—5min。蒸馏水洗净。 4)活化0．5g／L PdCl2，10ml／L HCl，时间4min。 5)还原30g／LNaH2P02·2H20，时间3min。 将敏化与活化处理合成一步。采用新型的盐基性胶体钯对金刚石进行敏化活化处理。这样不仅简化了工艺，而且配制盐基性活化钯胶体需要的氯化钯用量少、成本低、溶液稳定。 2．1．2化学镀Ni 镀液组成：30g／LNiSO4·6H：O(随硫酸镍浓度增加，镀速加快，但当硫酸镍浓度超过20g,／L以上，沉积速度增加不太明显，当浓度超过30g／L，镀液不稳定，镍易析出，镀速降低。)30g／L．NaH2P02·2H：O(次亚磷酸钠是镀液中的主要还原剂。随次亚磷酸钠浓度的升高，沉积速度增加，这是因为随次亚磷酸钠浓度升高，氧化还原反应电位增加，反应的自由能向负方 向变化，所以沉积速度加快，但当次亚磷酸钠超过30g/L，镀液稳定性降低，镀速减慢)。
并要不断搅拌。 2．2电镀液及电镀条件 电镀液配方如表1所示。
可在镀液中加糖精、1，4．丁炔二醇、香豆素、对甲苯磺酰胺、 水合三氯乙醛、氯化铬等作为光亮剂。使镀后的金刚石表面更 光亮，圆滑。 2．3 电镀 当启动装置时，锥形瓶将随齿轮一起旋转，而阴极和阳极固定在转轴上则不会转动。瓶底的金刚石粒群也将滚动，这样它们不会粘连在一起，从而被均匀地镀覆。当所镀金刚石颗粒非常少时，则阴极不容易跟金刚石颗粒群接触，金刚石就很难被均匀地镀覆。还可以将一些比金刚石稍大的、能导电的小颗粒物体加入到电镀液中，以产生面积较大的导电层，确保金刚石颗粒的镀覆质量。由于化学镀层很薄，结合不很牢固，因此电镀开始阶段，为保证金刚石与阴极很好接触，避免化学镀层脱落，镀瓶转速应较慢一些，以5—15 r／min转动为宜。电流不宜过大，以免烧焦化学镀层。 由于阴、阳极面积比较小，在一定电流下，电流密度很大，镀层在阴极和金刚石上沉积，而金刚石间接触导电性较差，在阴极和靠近阴极的金刚石上镀层的沉积速度较大，在阴极上沉积更快。如果转速太小，以及尖端效应和磁性的作用，靠近阴极的金刚石会在阴极上滞留，快速地沉积而粘附，并与其他金刚石粘结成块(见图3a)。所以镀瓶转速不能过小。
当转速合适时，金刚石在镀瓶中呈滚动状态，使金刚石表面的金属镀层均匀(见图3b)，从而获得合格产品。 当镀瓶转速过高时，金刚石在离心力的作用下，随瓶上升至比图3b情况更高的高度，然后在重力的作用下抛落下来(见图3c)。此时金刚石颗粒会离开金刚石颗粒群，成断电状态。当转速更高时，金刚石会随镀瓶一起作圆周运动(见图3d)，此时金刚石已经离阴极而不能被镀覆，所以这种转速显然也是不允许出现的。 电镀时的温度不宜过高，温度太高容易引起颗粒表面镀层起皮，镀层容易脱落。应根据不同的镀液加以适当的温度。 2．4电镀前后的形貌 图4为电镀前后金刚石颗粒的照片对比。由图可知，电镀数小时后金刚石颗粒表面非常光亮、光滑，基本上消除了针孔，镍刺等弊病。将电镀数小时的金刚石颗粒放在抗压强度仪上轻将其表面金属镀层压裂，取下压裂的镍壳，拍照，由图5可见镀层厚度基本上是均匀的。
2．5镀膜厚度的计算 取300颗金刚石颗粒，将每个金刚石颗粒可以视为球形，并设其半径为R1，体积为V1密度为P1。镀膜之后颗粒的形状也为球形，其半径为R2，体积为V2称出镀膜之前金刚石颗粒的总重量，记为M1，则每颗平均重为m1=M1／300。 由p(4／3πR31)=m 得：R1=[(3m1)／(4πr1)]1/3. 镀膜之后再称出总质量，记为M2每颗平均重为m2=M2／300。镀膜后每颗金刚石增重△m=m2一m1，△m即为膜的质量，设膜的体积为△VNi的密度为P2，则△V=△m／p2。 这样就得到了单颗粒镀膜的平均厚度。 电镀加厚的效率受转速、投料量及金刚石颗粒的密集程度的影响。在固定上述条件的情况下可方便地测得增重与电流密度成正比。 2．6补镀 另外，在镀Ni过程中，当Ni层厚度不够或者产生局部未镀上等弊病时，可以采用补镀的方法来修复。 Ni很容易被氧化，若用化学的方法退Ni，则不仅浪费了大量的化工原料，增加了劳动强度，而且很容易造成环境污染，给操作者带来很大的危害。当将不合格的Ni镀层直接进行回镀时，实质上是将新的镀Ni层镀在氧化膜上，所以它的结合力很差。可根据Ni在强碱溶液中化学性质非常稳定的特点，利用在强碱中进行阴极电化学除油来还原不合格Ni镀层上的氧化膜，在化学除油的过程中，大量的氢离子在阴极上放电，形成了具有强还原能力的新生态的氢离子。新生态的氢离子吸附在阴极表面后，便将氧化膜还原成金属，从而充分地显露出金属的结晶组织，使后来回镀金属Ni骨沿着原有的晶格继续增长，最后获得结合力良好的修复镀层。补镀工艺和原工艺条件相同。补镀厚度可根据所需时间而定。 3结果和讨论 1)在一开始电镀的时候，电流不宜过大，以免烧焦化学镀层。另外，阴极不要压到金刚石，以防阴极把金刚石表面的化学镀层擦掉，只有注意了这些问题，镀膜的质量才可以保证。镀膜厚度的计算只能计算出单个颗粒镀层的平均厚度，是在金刚石颗粒假设成球形的基础上进行的，但当电镀数小时后，镀层较厚时，颗粒基本上呈比较规则的球形，计算结果越准确。 2)启动一两个小时转速不应过快，为保证金刚石与阴极很好接触，避免化学镀层脱落 3)电镀用的锥形瓶底部可以用砂布打毛，增大其粗糙程度，尽量能使金刚石颗粒在其内部呈现滚动状态。再加上瓶子有一定的倾角，这样镀过的金刚石颗粒之间基本上消除了粘结在一块的现象。 4 结论 金刚石通过镀前预处理、化学镀、电镀后，可使金刚石表面均匀镀覆一层金属。采用此装置是人造金刚石表面金属化的一种简易可行的技术，它最大的优点是投资少，适用于实验室镀覆金刚石颗粒或工厂生产。 此装置组装简单，费用少。而且电镀过程中的电镀电流是可控的，电动机是调速电动机，所以滚镀的速度也可控制，并且通过锥形瓶可以较直观地观测金刚石颗粒镀膜的厚度。它的装卸简单，在很短的时间里就可以把电镀液及阴、阳极装好，是一个很好用的装置。 电镀后的金刚石颗粒表面光滑、发亮、镀层均匀。基本上消除了人工镀时产生的针孔镍刺等弊病。 利用此装置还可以在金刚石表面镀cu、Mo、cr、T、Fe、zn等。 |
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