Исследования процессов никелирования синтетических алмазов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Гринь Г. И., д-р техн. наук, проф., Лавренко А. А., канд. техн. наук, ст. науч. сотр., Панасенко В. В., аспирант, Дейнека Д. Н., канд. техн. наук, ст. преп., Довбий Т. А., преп.-стаж., Бондаренко Л. Н., науч. сотр.

Резниченко А. М., канд. техн. наук, асс.

Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НИКЕЛИРОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ

АЛМАЗОВ

Рапазепкоуу@1.иа

На основании экспериментальных исследований показана целесообразность проведения процесса никелирования искусственным алмазов в щелочной среде с применением гипофосфита натрия. Для получения сплошного покрытия никелем при его 100 % удержании на поверхности достигнуто оптимальное соотношение гипофосфит-ион : никель-ион.При использовании кислых и щелочныгх растворов никелирования определена оптимальная начальная температура процесса. Наилучшие показатели при исследовании влияния солей никеля на процесс никелирования и качество покрытия достигаются при добавлении ацетат-иона.

Ключевые слова: никелирование алмазов, гипофосфит натрия, гипофосфит-ион, никель-ион, покрытие, степень удержания никеля._

Синтетические алмазы имеют широкий спектр применения в разных областях народного хозяйства: химической, горной, машиностроительной и других. Но достигнутый технический уровень производства синтетических алмазов для машиностроительной области нуждается в решении проблемы закрепления алмазных зерен на поверхности основы инструмента [1].

Наиболее эффективным методом решения этой проблемы является применение никелированных синтетических алмазов. Использование таких алмазов позволяет повысить степень удержания алмазных зерен в материале основы инструмента за счет увеличения адгезионной связи алмаза с никелевым покрытием и компенсаций перенапряжений поверхности зерен алмазов за счет однородности покрытия. Наилучшим методом нанесения никеля позволяющим повысить прочность сцепления алмаза с основой инструмента является химическое никелирование абразивов, но этот процесс мало исследован [2, 3]. Это и стало целью настоящихиследований.

Авторами разработан и проверен на практике метод химического никелирования синтетических алмазов [4]. В результате проведенных исследований установлено, что для получения поверхности алмазов с восстановительными свойствами целесообразно использовать плав-гипофосфита натрия. Использование этого реагента позволяет проводить процесс активации

поверхности до металлизации без применения драгоценных металлов.

При изготовлении алмазно-абразивного инструмента используют синтетические алмазы разной зернистости и марок алмазов, для каждой из которых характерна своя морфология поверхности. Опыты проводили с марками алмазов АСС 6 и АСС 4, зернистостью 50/40, 80/63, 100/80, 125/100, 160/125, 200/160. Для экспериментов использовали алмазы с площадью поверхности зерен 0,8 - 1 м2. Количество гипо-фосфита натрия и количество соли никеля рассчитывали из соотношений, которые получили ранее [5, 6]. Эксперименты велись при одностадийном никелировании.

В результате проведенных исследований выявлено, что при никелировании в кислых растворах алмазных зерен различных зернистостей можно получить долю поверхности, покрытую никелем на уровне 80 %. Однако заметна тенденция увеличения доли поверхности, покрытой никелем при уменьшении зернистости и, наоборот, уменьшение доли поверхности, покрытой никелем при увеличении зернистости. Такая тенденция связана с тем, что при увеличении зернистости возрастает количество граней правильной формы, которые имеют незначительные дефекты.

Исследовано влияние технологических параметров на процессы восстановления никеля на поверхности синтетических алмазов, установле-

но, что значительное влияние на качество покрытия имеет рН среды, в которой проводится никелирование [7, 8].

Для установления оптимальных параметров процесса формирования слоя никеля на поверхности синтетических алмазов проведено исследования по определению оптимального соотношения гипофосфит-иона к площади алмазов и соотношения никель-ионов к гипофосфит-ионам, которые необходимы для полного расчета параметров технологического процесса. При этом в качестве основных характеристик никелевого покрытия использовали долю поверхности синтетических алмазов, покрытую никелем и степень удержания никеля на поверхности синтетических алмазов при истирающей нагрузке.

В результате исследования установленно, что при никелировании в кислом растворе (рН = 5,5) доля поверхности синтетических алмазов, покрытых никелем не превышает 80 % при степени удержания 99,5 % при любых соотношениях компонентов. Зависимость этой доли поверхности от соотношения гипофосфит-ион : алмаз имеет экстремум в области соотношения 0,6 - 1 моль/м2, но зависимость степени удержания никеля на поверхности синтетических алмазов существует в области соотношения 0,75 - 1 моль/м2. При исследовании характеристик протекания процесса установлено, что степень восстановления никеля в области соотношения 0,25 - 0,6 моль/м2 монотонно возрастает, при значении соотношения больше, чем 0,75 моль/м2 значительно падает степень использования никеля. Это можно объяснить тем, что недостаточное количество гипофосфита натрия для покрытия всей поверхности синтетических алмазов приводит к появлению участков поверхности алмазов, не покрытых никелем. А большое количество его приводит к снижению степени использования никеля, за счет того, что излишек гипо-фосфита натрия взаимодействует с ионами никеля не на поверхности алмазов, а в объеме раствора. При указанных соотношениях получена степень восстановления никеля и степень использования никеля на уровне 98 %.

При никелировании в щелочном растворе (рН = 10) установлено, что в отличие от никелирования в кислом растворе, возможно получить долю поверхности синтетических алмазов, покрытую никелем на уровне 98 %, при степени удержания никеля - 99,8 % (рис. 1).

Зависимость доли поверхности алмазов, покрытой никелем и поверхности алмазов при истирающей нагрузке от соотношения гипофос-фит-ион : алмаз имеют экстремум в области соотношения 0,6 - 1 моль/м2, как и при никелиро-

вании в кислом растворе. Зависимости степени использования и степени восстановления никеля от соотношения, указанного выше, имеют характер, подобный зависимостям, полученным при никелировании в кислом растворе, но характеризуются большей амплитудой.

В результате исследований никелирования при использовании кислого раствора (рис. 2) установлено, что невозможно получить долю поверхности синтетических алмазов, покрытых никелем больше 80 %, а ее зависимость от соотношения гипофосфит-ион : никель-ион имеет экстремум в области 0,3 - 0,5 моль/моль.

и

юо

90

ч

о а

К 70 60 50

—♦— г -к

/

У / \ \

/ / \

* \

100 90

80 ; 70 1 60 50

О -

с □

о

я: ^

з

с,

а

о &

и

0

ш -

1 н

0,25 0,5 0,75 1,25 Соотношение шпофосфит-пон : алмаз, моль/м2

Рис. 1. Зависимость степени использования никеля и степени восстановления никеля от соотношения гипофосфит-иона : алмаз при никелировании в щелочном растворе

100

99

= 98

с

£

О

97

100

99 -

я

й

98 # 97

О

й =

ОД 0,25 0,3 0,5 0,75 1 1,25

Соотношение гипофосфит-ион : никель-ион, моль/моль Рис. 2 - Зависимость степени использования и степени восстановления никеля от соотношения гипофосфит-иона : никель-иона при никелировании в кислом растворе

При исследовании характеристик протекания процесса установлено, что значение соотношения гипофосфит-ион : никель-ион не влияет на степень использования никеля, чего нельзя сказать о степени его восстановления.

При соотношениях больше чем 0,5 моль/моль степень восстановления никеля снижается до 98 %.

При никелировании в щелочном растворе установлено, что зависимости доли поверхности синтетических алмазов, покрытой никелем и

степени удержания никеля на поверхности при истирающей нагрузке имеют экстремум в области соотношения 0,25 - 0,5 моль/моль. Доля поверхности, покрытая никелем в этой области соотношения составляет 99,2 %, при 100 % удержании никеля на поверхности.

Таким образом, целесообразно проводить никелирование в щелочных растворах с соотношением гипофосфит-ион : алмаз - 0,6 -1 моль/м2, а гипофосфит-ион : никель-ион - 0,25 - 0,5 моль/моль.

Для анализа влияния температуры на показатели покрытия и процесса исследования проводили при одностадийном никелировании. Для опытов использовали алмазы марки АСС 6, зернистостью 100/80, в количестве 50 г, что отвечает площади никелируемых алмазов 0,8 - 1,0 м2 Количество гипофосфита натрия для обработки поверхности и количество соли никеля рассчитывали из соотношений, которые были получены раньше.

Предыдущие опыты показали, что существует интервал температур, при которых начинается процесс никелирования и возможно получить высокую долю поверхности покрытую никелем, степени удержания никеля на поверхности синтетических алмазов и высокие значения характеристик протекания процесса. Эти температуры определяются температурой смеси раствора никелирования и синтетических алмазов, обработанных плавомгипофосфита натрия.

В результате проведенных исследований установлено, что при использовании кислого раствора никелирования, реакция начинается лишь при температуре 355 К, а при никелировании в щелочных растворах - при 333 К.

При исследовании влияния температуры на долю поверхности покрытую никелем и степень его удержания установлено, что интервал температур, при котором доля поверхности синтетических алмазов, покрытая никелем, и степень удержания никеля на ихповерхности имеют высокие показатели: в кислой среде 355 - 356 К, а в щелочной 333 -347 К.

Результаты эксперимента подтвердили данные, полученные при исследовании доли поверхности синтетических алмазов, покрытой никелем и степени удержания никеля на поверхности синтетических алмазов при прикладывании истирающей нагрузки (рис. 3).

При проведении процесса в щелочном растворе (рис. 3, кривая 2), степень использования никеля начинает снижаться при температуре 345 К, а при повышении температуры - падает до 88 %. При никелировании в кислом растворе (рис. 3, кривая 1), степень использования никеля после температуры 356 К падает до 92 %.

330 335 340 345 350 355 360 365 Температура. К

Рис. 3. Зависимость степени использования никеля

от температуры

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что при использовании кислых растворов никелирования оптимальная начальная температура составляет 355 -356 К, при никелировании в щелочных растворах 333 - 347 К. При этих температурах доля поверхности, покрытая никелем, степень удержания никеля и степень использования никеля достигают значений (%): 98 - 99; 95 - 97 и 98 -99, соответственно.

Синтетические алмазы с нанесенным на них слоем никеля [9, 10] подвергали дальнейшему никелированию, меняя параметры процесса. В процессе исследования влияния анионов солей никеля использовали растворы никелирования, которые отличались между себя анионом соли никеля. Опыты проводили одностадийно. Кислый раствор имел состав: соль никеля - 50 г/л; натрия ацетат NaСН3COO - 25 г/л; серная кислота до рН - 5; натрия гипофосфит NaН2PO2 - 65 г/л. Температура никелирования - 355 -365 К.

Щелочной раствор: соль никеля - 50 г/л; натрия ацетат NaСН3COO - 25 г/л; аммиачная вода NH4OH (25 %) - к рН - 10; натрия гипофосфит NaН2PO2 - 65 г/л. Температура никелирования 348 - 358 К.

В результате проведенных опытов установлено, что при использовании кислых растворов никелирования анион соли никеля влияет как на время хода процесса, так и на показатели никелевого покрытия. Так, при никелировании в растворах, которые содержат анион С1- и анион SO2-, получено практически одинаковое время реакции - 1980 и 2220 с соответственно. При применении раствора с анионом N0^ время реакции составляло 3000 с, а при применении растворов с анионом CH3COO- - 1320 с. Для определения доли поверхности синтетических алмазов покрытой никелем, установили, что при проведении процесса из растворов, которые содержат Б02- и С1- анион, доля поверхности составляет 78 и 79,6 % соответственно (табл.1). При применении растворов с анионом N0^ доля

поверхности составляла 60 %, а при применении растворов с анионом CH3COO- - 86,65 %.

Таким образом, при исследовании влияния анионов солей никеля на процесс никелирования и покрытие, при использовании кислых растворов (рН = 5) определено, что наиболее пло-

хие показатели поверхности и самое большое время процесса получено при использовании растворов с анионом К03-. Наилучшие значения показателей поверхности и наименьшее время процесса получено для растворов, которые содержат CH3COO- анион.

Таблица 1

Показатели покрытия при никелировании в кислых растворах (рН = 5)

Соли никеля Показатели раствора соли Время процесса, с Доля поверхности покрытая никелем, %

рН ОВП

№(N03^-6^0 4,75 154 3000 60

^04-7Ш0 5,01 199 2220 78

№^■6^0 5,22 213 1980 79,6

№(СН3С00)2 -4^0 5,8 236 1320 86,65

При проведении процесса в щелочных растворах (табл. 2) наблюдалась такая же ситуация, как и при никелировании в кислых растворах. Так, при использовании раствора с анионом NO3- время никелирования составляет 1980 с,

соответственно, а CH3COO- аниона - 900 с. Доля поверхности синтетических алмазов покрытых никелем при наличии Б02- и С1- анионов составляла 91,6 и 93 % соответственно, при наличии К03- аниона - 89 %, а CH3COO- -98,8 %.

Таблица 2

Показатели покрытия при никелировании в щелочных растворах (рН = 10)

при наличии Б0 и О анионов — 1440 и 1320 с

Соли никеля Показатели раствора соли Время хода процесса, с Доля поверхности покрытая никелем, %

рН ОВП

№(N0^-6^0 5,9 179 1860 89,0

6,96 129 1440 91,6

МСЬ-6^0 7,2 118 1320 93,0

№(СН3С00)2 -4^0 7,9 85 900 98,8

Таким образом, при проведении процесса из щелочных и кислых растворов, наименьшее время процесса и наилучшие показатели покрытия, получены при добавлении растворов, которые содержат ацетат-ион, а самое большое время процесса и наиболее плохие показатели покрытия - при проведении процесса из растворов с азотнокислым анионом. Значение показателей, полученных в щелочных растворах, выше практически в 1,5 раза.

В качестве буфера используют ацетат натрия, но его применение приводит не только к созданию буферного эффекта, а и содействует повышению скорости восстановления никеля за счет наличия ацетат-ионов в растворе никелирования. При проведении процесса с использованием неорганических солей за счет добавления ацетата натрия достигают создания условий, которые характерны для растворов, которые содержат ацетат никеля. Известно, что концентрация ацетат-иона в растворе должна составлять 10 г/л, потому что увеличение или уменьшение концентрации приводит к снижению скорости образования покрытия. Исходя из состава стандартного раствора никелирования, соотношение никель-ион: ацетат-ион должно составлять 1,05 - 1,25 моль/моль. Исследования показали, что применение раствора никелирования с соотно-

шением ионов никеля к ацетату 1,9 - 2,0 моль/моль, позволяет получить покрытие с высокими показателями равномерности нанесенного слоя при высокой скорости реакции. Таким образом, применение ацетата никеля в качестве соли никеля позволяет получить не только высокие показатели процесса никелевого покрытия, а и соединить в одном веществе два реагента, положительно влияющие на характеристики процесса и себестоимость продукта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Поляков В. П. Алмазы и сверхтвердые материалы / В. П. Поляков, А. В. Ножкина, Н.В. Чириков. - М.: Металлургия, 2000. - С. 115-123.

2. Авдеев Н.В. Технология и выбор способа металлопокрытий / Н.В. Авдеев. Ташкент: Мехнат, 1990. 268 а

3. Журавлев В.В. Влияние металлизации на прочность алмаза, величину внутренних напряжений системы алмаз - металл / В.В. Журавлев // Труды ВНИИАлмаз, 1986. С. 50-57.

4. Метод одержання дрiбнодисперсних ме-талiчних порошив Школу з пористою структурою / Т.А. Довбш, П.А. Козуб, Г.М. Резшченко, С.М. Козуб, Н.М. Мiрошнiченко, А.О. Лавренко, Л.М. Бондаренко // «Схвдно-Свропейський жур-

нал передових технологш». Харшв: 2012. №. 3. С. 43-48.

5. Chemicaldepositionofnickelwithinclusion-ofultradisperseddiamonds / MamalisA.G., Grab-chenkoA.I., Fedorovich V.A., Kundrak J., Babenko Y. and Dovbiy T. // «NanotechnologyPerceptions», 2011. Vol. 7.P. 218-222.

6. Водные суспензии синтетических алмазов. Влияние класса поверхностно-активных веществ на их седиментационную устойчивость / А.Я.Лобойко, Г.И.Гринь,П.А.Козуб, В.В. Бутова // Химическая промышленность Украины. Киев: 2012. С. 27-30.

7. ИспользованиеметодоврН-метрии для определенияконцентрациисильных кислот / П. А. Козуб, В.В. Мирошниченко, С.Н. Козуб, В.А. Лобойко, А.А. Лавренко, Л.Н. Бондаренко, А.М. Резниченко, Т.А. Довбий // 1нтегроваш технологи та енергозбереження. 2011. № 4. С. 52-57.

8. Особенностивлиянияразличныхвидов ПАВ на стабильностьводныхсуспензийс-верхтвердыхматериалов / В.В. Бутова, П.А. Козуб, А.А. Лавренко // 1нформащйш технологи : наука, техшка, технолопя, освiта, здоровя : тези доповвдей Х1Х м1жнародно! науково - практично! конференцл ч. II (01-03 червня 2011 р., м. Харшв) / за ред. проф.. Товажнянського Л.Л. Харшв: НТУ «ХП1» 2011. С. 235.

9. Композицшний матерiал на основi мета-лiчного нiкелю та гексагонального нiтриду бору (НБ^ / П.А. Козуб, О.Я. Лобойко, Т.А. Довбш, Г.М. Резшченко, Л.М. Бондаренко, А.О. Лавренко, С.М. Козуб // Вюник Нащонального техшч-ного унiверситету «ХП1». Харшв: 2012 № 66. С. 105-109.

10. Довбш Т.А. Структура та склад композиту на основi № iультрадисперсних алмазiв // Схвдно-Свропейський журнал передових технологш. Харшв: 2012 р. № 1. С. 7-8.