金刚石表面金属化对电镀金刚石线锯性能及生产的影响

引言

目前，晶体硅切割方法主要有游离态金刚石磨粒线锯切割和固结态金刚石磨粒线锯切割两种。游离态金刚石磨粒线锯切割为边切割边向钢丝输送带有磨粒的浆料［1］，切割效率低，锯口损耗大，表面粗糙度和精度难以控制，浆料回收困难，环境污染严重［2］，而固结态金刚石磨粒线锯切割能很好地解决这些问题。

固结态金刚石磨粒线锯切割是将磨粒固定在电镀镍层中，通过固结的磨粒达到对硬脆材料的切割效果［3-4］。目前大部分使用的是裸露的磨粒进行电镀，其绝缘性决定了与镀层之间只有物理镶嵌的作用，在上砂与使用过程中，磨粒极易脱落，金刚石磨粒的利用率低，同时其无规则运动也决定了在生产过程中无法使用强力搅拌来抑制浓差极化的出现，因此，现有技术生产的金刚石线锯存在上砂速度慢、上砂密度低、磨粒把持力低、生产效率和切割效率低等问题，致使工业化生产难以实现，无法满足国内日益扩大的市场需求。

本文结合合肥轨道交通1号线南一环站、芜湖路站和水阳江路站，设计介绍一种新型的站、桥结合方式——明挖地铁站与市政高架桥同期同位并行分离式合建方法，即地铁车站与高架桥同期开工，结构体在车站顶板与桥梁墩柱扩大基础之间采用防水层进行分离，结构受力上只传递竖向荷载，使得车站结构及桥梁受力更为合理。

本文通过化学镀在金刚石磨粒表面包覆镍层［5-8］，使其金属化，在电镀过程中能实现定向移动，且磨粒与镀层之间能实现化学键固结，并引入强力搅拌来实现高电流密度电镀，提高电镀效率，达到沉积速度快、密度适中、均匀性好、把持力高、使用寿命长、生产效率和切割效率高的目标。

1 实验

1.1 磨粒的化学镀

将中位径（D50）在15 μm左右的磨粒按照以下流程进行处理。

1）预处理：制备质量分数为10%的氢氧化钠溶液，将磨粒置于其中煮沸30 min，纯水水洗至中性。

2）粗化：制备质量分数为10%的硝酸溶液，将预处理后的磨粒置于其中煮沸30 min，纯水水洗至中性。

1）金属基体的除油：将金属基体置于质量分数为65 g/L的市售碱性溶液中，利用阴极电解除油，去除基体表面的油污等杂质，纯水水洗至中性。

3）敏化：制备敏化溶液，其组成为12 g/L SnCl2·2H2O和40 mL/L盐酸，将粗化后的磨粒置于其中，在室温环境下敏化15 min，在磨粒表面吸附大量的Sn2+悬挂键，纯水水洗至中性。

4）活化：制备活化溶液，其组成为0.8 g/L氯化钯和20 mL/L盐酸，将敏化后的磨粒置于其中，在室温环境下活化15 min，纯水水洗至中性。

郑军（1971-），男，山东乳山人，博士，山东农业大学经济管理学院教授，主要研究领域：农业经济理论与政策。

5）化学镀：将经过前道工序处理的磨粒以7 g/L的浓度置于pH为4.5～5.0的化学镀溶液中，在85℃水浴下通过机械搅拌化学镀镍10 min，搅拌频率为300 r/min，得到增重率30%的表面镀镍磨粒；化学镀溶液组成为：25 g/L六水硫酸镍，25 g/L二水次磷酸钠，18 g/L三水乙酸钠，12 g/L二水柠檬酸钠。

1.2 线锯的制备

活化完成后，在金刚石表面形成大量的金属钯质点，这些质点是化学镀镍的催化中心。由于Pd与Ni的晶格结构相似，均为面心立方结构，且晶格参数接近，利用反应（2）将Ni2+还原成Ni原子，沉积在磨粒表面的钯质点上，通过镍的不断沉积和扩展，使得金刚石磨粒表面完全被镍包裹。化学镀液体系中，NiSO4·6H2O为氧化剂，提供镍源，NaH2PO2·2H2O为还原剂；CH3COONa·3H2O为加速剂，能使次磷酸根中H和P原子之间的键合变弱，提高镀层的沉积速度；C6H5Na3O7·2H2O为螯合剂，通过其中的O或N与Ni2+形成共同配价键连成一个具有封闭环的镍络合物，避免形成亚磷酸镍的沉淀。金刚石磨粒的化学镀过程如图1所示。

2）金属基体的活化：将除油后的金属基体放入质量分数为10%的H2SO4溶液中，去除表面残留的氧化层及金属锈，纯水水洗至中性。

不过在现实中，针鼹的嘴部为管状，而电影中的嗅嗅的嘴却是扁平的鸭嘴状，所以电影里的嗅嗅被认为是针鼹和鸭嘴兽的融合产物。

长久以来，楚文化与中原文化、齐鲁文化交互影响，先秦时期语音的变化一直处于一种交互影响的态势之中。因此，在确定某种现象是否为楚方言特点时，仍有赖于从共时和历时的角度予以考察。所以在确定楚方言特点的时候，应该关注到以下几个问题：

4）上砂镀：将上述化学镀镍磨粒以30 g/L的浓度分散于所述的氨基磺酸镍溶液中作为上砂镀液，预镀后的金属基体作为阴极，镍板作为阳极，上砂电流密度为20 A/dm2，pH稳定在4.5～5.0，通过气流搅拌使磨粒均匀分散于镀液中，防止其沉降及团聚，搅拌强度为1 m3/（min·m2），在45～55℃下进行上砂镀，将金刚石磨粒固定于基体上，上砂镀镍层厚度约为6 μm，纯水水洗去除表面游离的金刚石磨粒。

3）预镀：以所述的氨基磺酸镍溶液为预镀液，活化后的金属基体作为阴极，镍板作为阳极，预镀电流密度为10 A/dm2，pH稳定在4.5～5.0，在气流搅拌的情况下于45～55℃下在基体表面预镀镍，搅拌强度为0.4 m3/（min·m2），预镀镍层厚度约为1 μm，纯水水洗至中性。

傣族织锦在长期的历史发展过程中，在纹样的构成上形成了相对固定的形式，并蕴含深厚的文化内涵，而这些纹样构成形式都可以重新提取应用在现代服饰图案设计中。将传统织锦纹样按照新的构思重新组合，或者加入新的时代元素，创造出具有新的内涵的现代图案，以形成全新的视觉效果。其次傣族织锦的创新应用也可以根据自己的意图可结合不同的工艺技法如绣法、针法、线型等装饰工艺进行再整合，或结合不同肌理的面料进行设计，增强服装的层次感，创造出新的服装设计的视觉效果。

5）加厚镀：以所述的氨基磺酸镍溶液为加厚镀液，上砂完成后的金属基体作为阴极，镍板作为阳极，加厚镀电流密度为10 A/dm2，pH稳定在4.5～5.0，在气流搅拌的情况下于45～55℃下进行加厚镀镍，提高金刚石磨粒在基体上的牢固性，搅拌强度为0.4 m3/（min·m2），加厚镀镍层厚度约为6 μm，纯水水洗至中性。

6）热处理：将加厚的金刚石线锯置于400℃的环境中，保温2 h，清除内部的氢。

Almost every culture in the world has held celebrations of thanks for a plentiful harvest. The American Thanksgiving holiday began as a feast of thanksgiving in the early days of the American colonies almost four hundred years ago.

本实验利用IT6500型宽范围大功率直流电源进行镍层的电镀，通过调节H2N-LD型伺服电机的转动速率带动基体在电镀溶液中进行上砂。

1.3 性能表征

1.3.1 表面形貌

采用JSM 6701F型场发射扫描电子显微镜观察金刚石线锯的表面形貌，通过USB手持式小型数码显微镜分段观察单位面积内（1 mm段表面积）线锯上磨粒的沉积数量，取平均值为沉积密度。

采用H2N-LD型伺服电机固定线锯，通过其往复运动带动线锯对硅碇进行切割，每次切割持续5 min，直至单位面积内磨粒的数量不超过10颗，则视为线锯失效，通过观察硅碇表面的切割深度来评估线锯的切割能力。

1.3.2 线锯的切割性能

（6）10000 r/min离心10 min，取上清液550 μL转移至新的1.5 mL离心管中，应避免吸到沉淀。

2 结果与讨论

2.1 磨粒表面化学镀的原理

金刚石是由SP3杂化的C原子组成，每个C原子有四个共价键。金刚石内部的C原子与周围的四个C原子结合，化学价达到饱和。而表面的C原子却存在多余的共价键，很容易吸附其他杂质，导致磨粒与镀层之间的结合力下降，造成磨粒较易脱落，影响磨粒的利用率和线锯的切割效率和使用寿命，因此必须对金刚石磨粒进行表面金属化，使其上砂后牢固地固结于镍镀层中。

首先，对表面预处理后的金刚石磨粒进行敏化，表面多余的C原子共价键将吸附敏化溶液中Sn2+。在随后活化过程中，活化溶液中的Pd2+通过反应（1）被金刚石磨粒表面吸附的Sn2+还原成金属Pd，并吸附在金刚石磨粒表面，形成钯质点。

采用φ120 μm的镀铜圆柱形琴钢丝为基体，选用氨基磺酸镍镀液体系进行金刚石线锯的预镀、上砂和加厚镀，该镀液体系的组成：80 g/L氨基磺酸镍，30 g/L氯化镍，3 g/L硼酸，0.1 g/L十二烷基硫酸钠。其具体处理工艺如下：

Ni2++H2PO-2+H2O → HPO2-3+3H++Ni0（2）

4.金融支持下第三产业增长效率实证分析。测算结果显示，2000-2015年间，陕西省金融支持第三产业增长效率测度结果可以分为2000-2005年和2006-2017年两个阶段。2000-2008年之间，陕西省金融支持第三产业增长效率经过一段波动调整时期，表现为2002-2005年，投入指标和产出指标分别都有不同程度的冗余和不足，技术效率均小于1，均无效。金融支持第三产业增长效率低这一现象在2003年前后表现最明显。以2004年为例，该年综合效率指数为0.862，投入指标中第三产业劳动力的松弛变量为101.943，产出指标的松弛变量163.086。

图1 金刚石磨粒的化学镀过程

2.2 金刚石磨粒的化学镀对线锯表面形貌和沉积密度的影响

图2 所示为两种不同金刚石磨粒固结后制备的电镀金刚石线锯的SEM图。从图2（a）和2（b）可以看出，使用未金属化的金刚石磨粒制备的电镀金刚石线锯，在镀层与磨粒的结合处存在一条明显的分界线，沉积的磨粒非常少，且均匀性差；图2（c）和2（d）中金属化的金刚石磨粒制备的电镀金刚石线锯，在镀层与磨粒的结合处分界线消失，沉积的磨粒数适中且均匀。

图2 不同磨粒制备的电镀金刚石线锯的表面形貌

表1为不同金刚石磨粒固结后制备的电镀金刚石线锯的各项参数对比，用金属化的金刚石磨粒制备的电镀金刚石线锯的各项参数明显优于未金属化的金刚石磨粒制备的电镀金刚石线锯。

表1 不同磨粒制备的电镀金刚石线锯的各项参数对比

参数金刚石增重率金刚石密度线锯生产效率线锯切削能力线锯使用寿命金属化处理30%90～100颗/mm 1000～1200 m/h优秀8～10次未金属化处理0%20～30颗/mm 360～500 m/h差2～3次

使用未金属化的金刚石磨粒进行复合电镀，由于金刚石是绝缘材料，在电镀过程中，其运动方向不受电场的控制，仅仅依靠磨粒在镀液中的无规则运动，与金属基体触碰后被镀层俘获，并且在重力的作用下也存在沉降运动，因此更降低了被镀层俘获的概率，导致金刚石线锯上磨粒的沉积密度非常低，造成线锯的切割效率偏低；此外，金刚石磨粒的绝缘性决定了其与镀层间只有物理镶嵌作用，磨粒未被镍层完全包覆，如图3所示，金刚石磨粒与镀层间界面分明，磨粒的把持力很低，在上砂及使用过程中极易脱落，导致磨粒的沉积密度较低，最终影响线锯的切割效率和使用寿命；同时，由于磨粒为绝缘体，如果在电镀过程中引入强力气流搅拌，将使金刚石磨粒的无规则运动更加强烈，进一步降低了其被镀层俘获的概率，因此目前电镀只能用小电流密度，导致金刚石线锯的生产效率非常低。

图3 未金属化金刚石磨粒制备的电镀金刚石线锯

当金刚石磨粒表面金属化后使其导电化，在电场作用下Ni内部自由电子分布在表层，使得Ni2+吸附于磨粒上，在电镀过程中金刚石磨粒的运动方向受到电场的控制，向着阴极方向定向移动，增加了其与金属基体间的触碰几率，提高了其被镀层俘获的概率；此外，由于磨粒表面金属化，当其沉积于金属基体上时，镍不仅在基体表面生长，也会在磨粒表面以及磨粒与镀层的结合处生长，金刚石磨粒被镍层包裹，通过金属键固结于镀层上，如图4所示，镀层对磨粒的把持力和线锯的切割能力大幅提升，线锯的使用寿命大幅延长；同时，金刚石磨粒金属化后在电场作用下定向移动，因此可以引入强力气流搅拌来抑制浓差极化，并提高电流密度，大幅度提升金刚石线锯的生产效率。

图4 金属化金刚石磨粒制备的电镀金刚石线锯

3 结论

利用化学镀在金刚石磨粒表面包覆镍层，使其金属化，所生产的金刚石线锯与现有技术所生产的线锯相比，具有以下优点：（1）由于金刚石磨粒表面金属化，其在电场中能定向移动，增加了金刚石磨粒与金属基体间的触碰几率，提高了其被镀层俘获的概率；（2）由于金刚石磨粒表面金属化，磨粒通过金属键固结于镀层上，提高镀层对磨粒的把持力以及线锯的切割能力，延长了线锯的使用寿命；（3）由于金刚石磨粒金属化后在电场作用下定向移动，引入强力气流搅拌能抑制浓差极化，可以加大电化学极化，大幅度提升金刚石线锯的生产效率。

综上所述，本实验能实现沉积速度快、密度适中、均匀性好、把持力高、使用寿命长、切割效率以及生产效率高的目标，并实现金刚石线锯的工业化生产，同时满足国内日益扩大的市场需求。

参考文献

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