В связи с переходом производства на высокотехнологичный уровень, стремительным развитием чистой энергетики, полупроводниковой и фотоэлектрической промышленности, растёт спрос на алмазный инструмент с высокой эффективностью и точностью обработки. Однако, поскольку искусственный алмазный порошок является важнейшим сырьем, прочность алмазной матрицы и матрица недостаточны, а срок службы твердосплавных инструментов невелик. Для решения этих проблем в отрасли обычно используют покрытие алмазного порошка металлическими материалами для улучшения характеристик поверхности, повышения долговечности и общего качества инструмента.
Метод нанесения покрытия на поверхность алмазного порошка включает в себя химическое покрытие, гальваническое покрытие, покрытие магнетронным распылением, покрытие вакуумным испарением, реакцию горячего взрыва и т. д., включая химическое покрытие и покрытие с отработанным процессом, равномерное покрытие, можно точно контролировать состав и толщину покрытия, преимущества индивидуального покрытия, стали двумя наиболее часто используемыми технологиями в отрасли.
1. химическое покрытие
Химическое покрытие алмазным порошком заключается в помещении обработанного алмазного порошка в раствор для химического покрытия и осаждении ионов металла в растворе под действием восстановителя, содержащегося в растворе, с образованием плотного металлического покрытия. В настоящее время наиболее распространенным методом химического покрытия алмазов является химическое никелирование с использованием бинарного сплава Ni-P (Ni-P), обычно называемого химическим никелированием.
01 Состав раствора химического никелирования
Состав раствора для химического гальванопокрытия оказывает решающее влияние на плавность протекания, стабильность и качество покрытия в результате химической реакции. Он обычно содержит основную соль, восстановитель, комплексообразователь, буфер, стабилизатор, ускоритель, поверхностно-активное вещество и другие компоненты. Соотношение каждого компонента необходимо тщательно корректировать для достижения наилучшего эффекта покрытия.
1. Основная соль: обычно сульфат никеля, хлорид никеля, никель-аминосульфоновая кислота, карбонат никеля и т. д., ее основная роль заключается в обеспечении источника никеля.
2. Восстановитель: в основном, обеспечивает получение атомарного водорода, восстанавливает Ni2+ в гальваническом растворе до Ni и осаждает его на поверхности алмазных частиц, являющихся важнейшим компонентом гальванического раствора. В промышленности в качестве восстановителя в основном используется вторичный фосфат натрия, обладающий высокой восстанавливающей способностью, низкой стоимостью и высокой стабильностью покрытия. Восстановительная система позволяет осуществлять химическое гальванопокрытие как при низких, так и при высоких температурах.
3. Комплексный агент: раствор покрытия может преципитировать осаждение, повысить стабильность раствора покрытия, продлить срок службы раствора для гальванопокрытия, улучшить скорость осаждения никеля, улучшить качество слоя покрытия, обычно используют янтарную кислоту, лимонную кислоту, молочную кислоту и другие органические кислоты и их соли.
4. Другие компоненты: стабилизатор может препятствовать разложению гальванического раствора, но поскольку он влияет на протекание химической реакции гальванизации, его необходимо использовать умеренно; буфер может производить H+ во время химической реакции никелирования, обеспечивая постоянную стабильность pH; поверхностно-активное вещество может уменьшать пористость покрытия.
02 Процесс химического никелирования
Химическое осаждение системы гипофосфата натрия требует, чтобы матрица обладала определённой каталитической активностью, в то время как сама поверхность алмаза не имеет центра каталитической активности, поэтому перед химическим осаждением алмазного порошка её необходимо предварительно обработать. Традиционные методы предварительной обработки при химическом осаждении включают удаление масла, грубую обработку, сенсибилизацию и активацию.
(1) Удаление масла, шероховатость: удаление масла, главным образом, предназначено для удаления масла, пятен и других органических загрязнений с поверхности алмазного порошка, чтобы обеспечить плотное прилегание и хорошие эксплуатационные характеристики последующего покрытия. Огрубление может привести к образованию мелких углублений и трещин на поверхности алмаза, увеличивая шероховатость поверхности алмаза, что не только способствует адсорбции ионов металла в этом месте, облегчая последующее химическое и гальваническое осаждение, но и образует ступеньки на поверхности алмаза, обеспечивая благоприятные условия для роста слоя химического или гальванического осаждения металла.
Обычно для удаления масла используется раствор NaOH и других щелочей, а для огрубления поверхности алмаза – раствор азотной кислоты и других кислот в качестве грубого химического раствора. Кроме того, эти два соединения следует использовать с ультразвуковой очисткой, что способствует повышению эффективности удаления масла и огрубления алмазного порошка, экономит время процесса удаления масла и огрубления и обеспечивает эффективное удаление масла и огрубление.
(2) Сенсибилизация и активация: процесс сенсибилизации и активации является наиболее критическим этапом во всем процессе химического осаждения, от которого напрямую зависит возможность его осуществления. Сенсибилизация заключается в адсорбции легко окисляющихся веществ на поверхности алмазного порошка, не обладающего автокаталитической активностью. Активация заключается в адсорбции окисляющихся веществ фосфорной кислоты и каталитически активных ионов металлов (например, палладия) при восстановлении частиц никеля, что ускоряет осаждение покрытия на поверхность алмазного порошка.
Вообще говоря, если время сенсибилизирующей и активирующей обработки слишком короткое, то образование точек палладия на поверхности алмаза происходит медленнее, адсорбция покрытия недостаточная, слой покрытия легко отваливается или сложно сформировать целостное покрытие, а если время обработки слишком длительное, то это приведет к отходам точек палладия, поэтому наилучшее время для сенсибилизирующей и активирующей обработки составляет 20~30 мин.
(3) Химическое никелирование: процесс химического никелирования зависит не только от состава раствора покрытия, но также от температуры раствора покрытия и значения pH. При традиционном высокотемпературном химическом никелировании общая температура составляет 80 ~ 85 ℃, при температуре выше 85 ℃ легко происходит разложение раствора покрытия, а при температуре ниже 85 ℃ скорость реакции увеличивается. Что касается значения pH, то по мере увеличения pH скорость осаждения покрытия будет увеличиваться, но pH также вызовет образование осадка солей никеля, что замедлит скорость химической реакции, поэтому в процессе химического никелирования путем оптимизации состава и соотношения раствора химического покрытия, условий процесса химического никелирования контролируйте скорость осаждения химического покрытия, плотность покрытия, коррозионную стойкость покрытия, метод плотности покрытия, покрытие алмазным порошком для удовлетворения требований промышленного развития.
Кроме того, при нанесении одного слоя невозможно достичь идеальной толщины покрытия, могут появиться пузырьки, микроотверстия и другие дефекты, поэтому для улучшения качества покрытия и увеличения дисперсности покрытого алмазного порошка можно нанести несколько слоев.
2. электроникелирование
Из-за наличия фосфора в слое покрытия после химического никелирования алмаза, это приводит к плохой электропроводности, что влияет на процесс загрузки песка алмазного инструмента (процесс закрепления алмазных частиц на поверхности матрицы), поэтому слой покрытия без фосфора может быть использован для никелирования. Конкретная операция заключается в помещении алмазного порошка в раствор покрытия, содержащий ионы никеля, алмазные частицы контактируют с отрицательным электродом питания, образуя катод, блок металлического никеля, погруженный в раствор покрытия и соединенный с положительным электродом питания, становится анодом, посредством электролитического воздействия свободные ионы никеля в растворе покрытия восстанавливаются до атомов на поверхности алмаза, и атомы врастают в покрытие.
01 Состав гальванического раствора
Как и химический раствор для гальванического осаждения, гальванический раствор в основном обеспечивает необходимые ионы металла для процесса гальванизации и контролирует процесс осаждения никеля для получения необходимого металлического покрытия. Его основными компонентами являются основная соль, анодный активный агент, буферный агент, добавки и т.д.
(1) Основная соль: в основном используют сульфат никеля, аминосульфонат никеля и т. д. Как правило, чем выше концентрация основной соли, тем быстрее происходит диффузия в гальваническом растворе, тем выше выход по току, скорость осаждения металла, но зерна покрытия становятся грубыми, а снижение концентрации основной соли ухудшает проводимость покрытия и затрудняет ее контроль.
(2) Активный агент анода: поскольку анод легко пассивируется, легко ухудшает проводимость, влияя на равномерность распределения тока, поэтому необходимо добавлять хлорид никеля, хлорид натрия и другие агенты в качестве анодного активатора для ускорения активации анода, улучшения плотности тока пассивации анода.
(3) Буферный агент: подобно химическому раствору для гальванопокрытия, буферный агент поддерживает относительную стабильность электролитического раствора и катодного pH, позволяя ему колебаться в допустимых пределах для процесса гальванопокрытия. В качестве буферного агента обычно используют борную кислоту, уксусную кислоту, бикарбонат натрия и т.д.
(4) Другие добавки: в соответствии с требованиями к покрытию добавьте необходимое количество осветлителя, выравнивающего агента, смачивающего агента и других добавок для улучшения качества покрытия.
02 Алмазный гальванический никелевый поток
1. Предварительная обработка перед нанесением покрытия: алмаз часто не проводит ток и требует нанесения слоя металла другими способами. Метод химического осаждения часто используется для предварительного нанесения слоя металла и утолщения, поэтому качество химического покрытия в определенной степени влияет на качество слоя покрытия. Как правило, содержание фосфора в покрытии после химического осаждения оказывает большое влияние на качество покрытия. Высокофосфорное покрытие обладает относительно лучшей коррозионной стойкостью в кислой среде, имеет более выраженную выпуклость, большую шероховатость и не имеет магнитных свойств; среднефосфорное покрытие обладает как коррозионной стойкостью, так и износостойкостью; низкофосфорное покрытие обладает относительно лучшей электропроводностью.
Кроме того, чем меньше размер частиц алмазного порошка, тем больше удельная площадь поверхности, при нанесении покрытия, легко флотируется в гальваническом растворе, будет создавать утечки, гальваническое покрытие, явление рыхлого слоя покрытия, перед нанесением покрытия необходимо контролировать содержание фосфора и качество покрытия, контролировать проводимость и плотность алмазного порошка, чтобы улучшить флотируемость порошка.
2. Никелирование: в настоящее время для нанесения покрытия алмазным порошком часто используют метод прокатки, то есть в бутылку добавляется необходимое количество гальванического раствора, определенное количество искусственного алмазного порошка в гальванический раствор, посредством вращения бутылки алмазный порошок в бутылке перемещается в валик. При этом положительный электрод соединяется с никелевым блоком, а отрицательный электрод соединяется с искусственным алмазным порошком. Под действием электрического поля свободные ионы никеля в гальваническом растворе образуют металлический никель на поверхности искусственного алмазного порошка. Однако этот метод имеет проблемы с низкой эффективностью покрытия и неравномерностью покрытия, поэтому появился метод вращающегося электрода.
Метод вращающегося электрода заключается в вращении катода при нанесении алмазного порошка. Это позволяет увеличить площадь контакта между электродом и алмазными частицами, повысить равномерную проводимость между частицами, улучшить равномерность покрытия и повысить эффективность процесса алмазного никелирования.
краткое содержание
Модификация поверхности алмазного микропорошка, являющегося основным сырьем для производства алмазных инструментов, является важным способом повышения силы контроля матрицы и продления срока службы инструментов. Для повышения скорости загрузки алмазного инструмента в песок на поверхность алмазного микропорошка обычно наносят слой никеля и фосфора, обеспечивая определённую проводимость, а затем никелированием утолщают слой покрытия и повышают проводимость. Однако следует отметить, что сама поверхность алмаза не имеет каталитически активных центров, поэтому перед химическим осаждением её необходимо предварительно обработать.
справочная документация:
Лю Хань. Исследование технологии нанесения покрытия на поверхность и качества микропорошка искусственного алмаза [D]. Чжунъюаньский технологический институт.
Ян Бяо, Ян Цзюнь и Юань Гуаншэн. Исследование процесса предварительной обработки алмазного покрытия [J]. Стандартизация космического пространства.
Ли Цзинхуа. Исследование модификации поверхности и применения микропорошка искусственного алмаза, используемого в проволочных пилах [D]. Чжунъюаньский технологический институт.
Фан Лили, Чжэн Лянь, У Яньфэй и др. Процесс химического никелирования поверхности искусственного алмаза [J]. Журнал IOL.
Эта статья перепечатана в сети «Сверхтвердые материалы».
Время публикации: 13 марта 2025 г.
