วิธีการเคลือบผงเพชร?

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสู่การผลิตระดับไฮเอนด์ การพัฒนาอย่างรวดเร็วในด้านพลังงานสะอาด เซมิคอนดักเตอร์ และอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ ทำให้ความต้องการเครื่องมือเพชรที่มีประสิทธิภาพสูงและความแม่นยำสูงเพิ่มขึ้น แต่ผงเพชรสังเคราะห์ซึ่งเป็นวัตถุดิบสำคัญนั้น มีความหนาแน่นของเพชรและแรงยึดเกาะของเมทริกซ์ที่ไม่แข็งแรง ทำให้เครื่องมือคาร์ไบด์มีอายุการใช้งานสั้น เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ อุตสาหกรรมโดยทั่วไปจึงนำวัสดุโลหะมาเคลือบผิวผงเพชร เพื่อปรับปรุงคุณลักษณะของพื้นผิว เพิ่มความทนทาน และปรับปรุงคุณภาพโดยรวมของเครื่องมือ

วิธีการเคลือบผิวด้วยผงเพชรมีหลายวิธี ได้แก่ การชุบทางเคมี การชุบด้วยไฟฟ้า การชุบด้วยแมกเนตรอนสปัตเตอร์ การชุบด้วยการระเหยในสุญญากาศ ปฏิกิริยาความร้อนสูง เป็นต้น ซึ่งการชุบทางเคมีและการชุบด้วยไฟฟ้าเป็นกระบวนการที่พัฒนาแล้ว ให้การเคลือบที่สม่ำเสมอ สามารถควบคุมองค์ประกอบและความหนาของการเคลือบได้อย่างแม่นยำ และมีข้อดีคือสามารถปรับแต่งการเคลือบได้ตามต้องการ จึงกลายเป็นสองเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรม

1. การชุบด้วยสารเคมี

การเคลือบผิวด้วยผงเพชรทางเคมี คือการนำผงเพชรที่ผ่านการบำบัดแล้วใส่ลงในสารละลายเคลือบผิวทางเคมี และไอออนโลหะในสารละลายเคลือบผิวจะตกตะกอนผ่านการทำงานของสารรีดิวซ์ในสารละลายเคลือบผิวทางเคมี ทำให้เกิดการเคลือบผิวโลหะที่หนาแน่น ปัจจุบัน การเคลือบผิวด้วยผงเพชรทางเคมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ การเคลือบผิวด้วยโลหะผสมนิกเกล-ฟอสฟอรัส (Ni-P) ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าการเคลือบผิวด้วยนิกเกลทางเคมี

01 ส่วนประกอบของสารละลายชุบนิกเกิลทางเคมี

ส่วนประกอบของสารละลายชุบโลหะด้วยเคมีมีผลอย่างมากต่อความราบรื่น ความเสถียร และคุณภาพของการเคลือบที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี โดยทั่วไปแล้วจะประกอบด้วยเกลือหลัก สารลดแรงตึงผิว สารเชิงซ้อน สารบัฟเฟอร์ สารทำให้คงตัว สารเร่งปฏิกิริยา สารลดแรงตึงผิว และส่วนประกอบอื่นๆ สัดส่วนของแต่ละส่วนประกอบจำเป็นต้องได้รับการปรับอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ผลการเคลือบที่ดีที่สุด

1. เกลือหลัก: โดยทั่วไปได้แก่ นิกเกิลซัลเฟต, นิกเกิลคลอไรด์, นิกเกิลอะมิโนซัลโฟนิกแอซิด, นิกเกิลคาร์บอเนต เป็นต้น บทบาทหลักคือการเป็นแหล่งของนิกเกิล

2. สารรีดิวซ์: สารนี้มีหน้าที่หลักในการให้ไฮโดรเจนอะตอม เพื่อลดไอออน Ni2+ ในสารละลายชุบให้กลายเป็น Ni และตกตะกอนลงบนพื้นผิวของอนุภาคเพชร ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในสารละลายชุบ ในอุตสาหกรรม มักใช้โซเดียมซิมิเดเตอร์ฟอสเฟตเป็นสารรีดิวซ์ เนื่องจากมีคุณสมบัติในการรีดิวซ์สูง ต้นทุนต่ำ และมีความเสถียรในการชุบที่ดี ระบบรีดิวซ์นี้สามารถทำการชุบทางเคมีได้ทั้งที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูง

3. สารเชิงซ้อน: สารนี้ช่วยให้สารละลายเคลือบเกิดการตกตะกอน เพิ่มความเสถียรของสารละลายเคลือบ ยืดอายุการใช้งานของสารละลายชุบ ปรับปรุงความเร็วในการตกตะกอนของนิกเกิล และปรับปรุงคุณภาพของชั้นเคลือบ โดยทั่วไปจะใช้กรดซัคซินิน กรดซิตริก กรดแลคติก และกรดอินทรีย์อื่นๆ รวมถึงเกลือของกรดเหล่านี้

4. ส่วนประกอบอื่นๆ: สารทำให้คงตัวสามารถยับยั้งการสลายตัวของสารละลายชุบ แต่เนื่องจากจะส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในการชุบ จึงจำเป็นต้องใช้ในปริมาณที่เหมาะสม สารบัฟเฟอร์สามารถสร้าง H+ ในระหว่างปฏิกิริยาเคมีในการชุบนิกเกิลเพื่อให้มั่นใจได้ว่าค่า pH มีความเสถียรอย่างต่อเนื่อง และสารลดแรงตึงผิวสามารถลดความพรุนของสารเคลือบได้

02 กระบวนการชุบนิกเกิลด้วยสารเคมี

การชุบทางเคมีด้วยระบบโซเดียมไฮโปฟอสเฟตนั้นจำเป็นต้องใช้เมทริกซ์ที่มีคุณสมบัติเร่งปฏิกิริยา และพื้นผิวเพชรเองไม่มีศูนย์กลางเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับสภาพพื้นผิวก่อนการชุบผงเพชรทางเคมี วิธีการปรับสภาพพื้นผิวแบบดั้งเดิมสำหรับการชุบทางเคมี ได้แก่ การกำจัดน้ำมัน การทำให้หยาบ การเพิ่มความไวต่อปฏิกิริยา และการกระตุ้น

(1) การกำจัดน้ำมันและการขัดผิว: การกำจัดน้ำมันมีจุดประสงค์หลักเพื่อกำจัดน้ำมัน คราบสกปรก และสารปนเปื้อนอินทรีย์อื่นๆ บนพื้นผิวของผงเพชร เพื่อให้มั่นใจถึงความแนบสนิทและประสิทธิภาพที่ดีของการเคลือบในขั้นตอนต่อไป การขัดผิวอาจทำให้เกิดหลุมและรอยแตกเล็กๆ บนพื้นผิวของเพชร เพิ่มความหยาบของพื้นผิวเพชร ซึ่งไม่เพียงแต่เอื้อต่อการดูดซับไอออนโลหะในบริเวณนี้ อำนวยความสะดวกในการชุบทางเคมีและการชุบด้วยไฟฟ้าในขั้นตอนต่อไป แต่ยังทำให้เกิดขั้นบันไดบนพื้นผิวของเพชร ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่เอื้ออำนวยต่อการเจริญเติบโตของชั้นการตกตะกอนของโลหะจากการชุบทางเคมีหรือการชุบด้วยไฟฟ้า

โดยปกติ ขั้นตอนการกำจัดน้ำมันมักใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) และสารละลายด่างอื่นๆ เป็นสารละลายกำจัดน้ำมัน และสำหรับขั้นตอนการขัดผิวเพชร จะใช้กรดไนตริกและสารละลายกรดอื่นๆ เป็นสารละลายเคมีเบื้องต้นเพื่อกัดผิวเพชร นอกจากนี้ ควรใช้เครื่องทำความสะอาดอัลตราโซนิกร่วมด้วยในทั้งสองขั้นตอน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดน้ำมันและการขัดผิวเพชร ลดเวลาในการกำจัดน้ำมันและการขัดผิว และรับประกันผลลัพธ์ของการกำจัดน้ำมันและการขัดผิวที่ดี

(2) การทำให้ไวต่อปฏิกิริยาและการกระตุ้น: กระบวนการทำให้ไวต่อปฏิกิริยาและการกระตุ้นเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการชุบทางเคมีทั้งหมด ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับว่าการชุบทางเคมีจะสามารถดำเนินการได้หรือไม่ การทำให้ไวต่อปฏิกิริยาคือการดูดซับสารที่ออกซิไดซ์ได้ง่ายบนพื้นผิวของผงเพชรซึ่งไม่มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง การกระตุ้นคือการดูดซับกรดไฮโปฟอสฟอริกที่ออกซิไดซ์และไอออนโลหะที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา (เช่น โลหะแพลเลเดียม) บนอนุภาคนิกเกลที่ลดลง เพื่อเร่งอัตราการตกตะกอนของสารเคลือบลงบนพื้นผิวของผงเพชร

โดยทั่วไปแล้ว หากเวลาในการกระตุ้นและปรับสภาพพื้นผิวเพชรสั้นเกินไป การก่อตัวของจุดโลหะแพลเลเดียมบนพื้นผิวเพชรจะมีน้อย การดูดซับของสารเคลือบจะไม่เพียงพอ ชั้นเคลือบจะหลุดลอกได้ง่ายหรือยากที่จะสร้างการเคลือบที่สมบูรณ์ และหากเวลาในการบำบัดนานเกินไป จะทำให้จุดแพลเลเดียมสูญเปล่า ดังนั้นเวลาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการกระตุ้นและปรับสภาพพื้นผิวเพชรคือ 20-30 นาที

(3) การชุบนิกเกิลด้วยสารเคมี: กระบวนการชุบนิกเกิลด้วยสารเคมีไม่เพียงได้รับผลกระทบจากองค์ประกอบของสารละลายเคลือบเท่านั้น แต่ยังได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิและค่า pH ของสารละลายเคลือบด้วย การชุบนิกเกิลด้วยสารเคมีแบบดั้งเดิมที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปอุณหภูมิจะอยู่ที่ 80~85℃ ซึ่งหากสูงกว่า 85℃ จะทำให้สารละลายเคลือบสลายตัวได้ง่าย และที่อุณหภูมิต่ำกว่า 85℃ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเร็วขึ้น สำหรับค่า pH เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น อัตราการตกตะกอนของสารเคลือบก็จะเพิ่มขึ้น แต่ค่า pH ที่สูงขึ้นยังทำให้เกิดการตกตะกอนของเกลือนิกเกิล ซึ่งจะยับยั้งอัตราการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี ดังนั้นในกระบวนการชุบนิกเกิลด้วยสารเคมี จึงต้องปรับองค์ประกอบและอัตราส่วนของสารละลายเคลือบ เงื่อนไขของกระบวนการชุบ ควบคุมอัตราการตกตะกอนของสารเคลือบ ความหนาแน่นของสารเคลือบ ความต้านทานการกัดกร่อนของสารเคลือบ วิธีการเพิ่มความหนาแน่นของสารเคลือบ และการใช้ผงเพชรเคลือบให้ตรงตามความต้องการของการพัฒนาอุตสาหกรรม

นอกจากนี้ การเคลือบเพียงชั้นเดียวอาจไม่ทำให้ได้ความหนาของการเคลือบที่เหมาะสม และอาจมีฟองอากาศ รูเล็กๆ และข้อบกพร่องอื่นๆ ดังนั้นจึงควรใช้การเคลือบหลายชั้นเพื่อปรับปรุงคุณภาพของการเคลือบและเพิ่มการกระจายตัวของผงเพชรที่เคลือบไว้

2. การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้า

เนื่องจากมีฟอสฟอรัสอยู่ในชั้นเคลือบหลังจากการชุบนิกเกิลด้วยสารเคมีบนเพชร ทำให้การนำไฟฟ้าไม่ดี ซึ่งส่งผลกระทบต่อกระบวนการยึดเกาะของอนุภาคเพชรบนพื้นผิวของเครื่องมือเพชร (กระบวนการยึดอนุภาคเพชรบนพื้นผิวของเมทริกซ์) ดังนั้นจึงสามารถใช้ชั้นเคลือบที่ปราศจากฟอสฟอรัสในการชุบนิกเกิลได้ วิธีการทำงานเฉพาะคือ ใส่ผงเพชรลงในสารละลายเคลือบที่มีไอออนของนิกเกิล อนุภาคเพชรสัมผัสกับขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟเพื่อเป็นแคโทด บล็อกโลหะนิกเกิลที่จุ่มอยู่ในสารละลายเคลือบและเชื่อมต่อกับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟเพื่อเป็นแอโนด ผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ไอออนของนิกเกิลอิสระในสารละลายเคลือบจะถูกรีดิวซ์เป็นอะตอมบนพื้นผิวของเพชร และอะตอมเหล่านั้นจะเจริญเติบโตเข้าไปในชั้นเคลือบ

01 ส่วนประกอบของสารละลายชุบโลหะ

เช่นเดียวกับสารละลายชุบโลหะด้วยสารเคมี สารละลายชุบโลหะด้วยไฟฟ้าทำหน้าที่หลักในการให้ไอออนโลหะที่จำเป็นสำหรับกระบวนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า และควบคุมกระบวนการตกตะกอนของนิกเกลเพื่อให้ได้การเคลือบโลหะตามที่ต้องการ ส่วนประกอบหลักได้แก่ เกลือหลัก สารกระตุ้นขั้วบวก สารบัฟเฟอร์ สารเติมแต่ง และอื่นๆ

(1) เกลือหลัก: ส่วนใหญ่ใช้ซัลเฟตนิกเกิล อะมิโนซัลโฟเนตนิกเกิล เป็นต้น โดยทั่วไป ยิ่งความเข้มข้นของเกลือหลักสูงเท่าไร การแพร่กระจายในสารละลายชุบก็จะยิ่งเร็วขึ้น ประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้น อัตราการตกตะกอนของโลหะก็จะยิ่งสูงขึ้น แต่เม็ดเคลือบจะหยาบขึ้น และหากความเข้มข้นของเกลือหลักลดลง การนำไฟฟ้าของสารเคลือบก็จะแย่ลง และควบคุมได้ยากขึ้น

(2) สารกระตุ้นแอโนด: เนื่องจากแอโนดเกิดการแพสซิเวชันได้ง่าย ทำให้การนำไฟฟ้าไม่ดี ส่งผลต่อความสม่ำเสมอของการกระจายกระแสไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องเติมนิกเกิลคลอไรด์ โซเดียมคลอไรด์ และสารอื่นๆ เป็นสารกระตุ้นแอโนดเพื่อส่งเสริมการทำงานของแอโนด และปรับปรุงความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าของแอโนดที่เกิดการแพสซิเวชัน

(3) สารบัฟเฟอร์: เช่นเดียวกับสารละลายชุบทางเคมี สารบัฟเฟอร์สามารถรักษาเสถียรภาพสัมพัทธ์ของสารละลายชุบและค่า pH ของแคโทด เพื่อให้สามารถผันผวนได้ภายในช่วงที่อนุญาตของกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้า สารบัฟเฟอร์ทั่วไปได้แก่ กรดบอริก กรดอะซิติก โซเดียมไบคาร์บอเนต เป็นต้น

(4) สารเติมแต่งอื่นๆ: ตามข้อกำหนดของการเคลือบ ให้เติมสารเพิ่มความเงางาม สารปรับระดับ สารทำให้เปียก และสารอื่นๆ ในปริมาณที่เหมาะสม เพื่อปรับปรุงคุณภาพของการเคลือบ

02 เพชรชุบนิกเกิลแบบไหล

1. การเตรียมพื้นผิวก่อนการชุบ: เพชรมักไม่นำไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องชุบด้วยโลหะชั้นหนึ่งผ่านกระบวนการเคลือบอื่นๆ วิธีการชุบทางเคมีมักใช้ในการชุบโลหะชั้นแรกและเพิ่มความหนา ดังนั้นคุณภาพของการชุบทางเคมีจึงส่งผลต่อคุณภาพของชั้นชุบในระดับหนึ่ง โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณฟอสฟอรัสในสารเคลือบหลังการชุบทางเคมีมีผลอย่างมากต่อคุณภาพของสารเคลือบ สารเคลือบที่มีฟอสฟอรัสสูงจะมีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดได้ดีกว่า แต่พื้นผิวของสารเคลือบจะมีลักษณะเป็นปุ่มนูน มีความหยาบมาก และไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก สารเคลือบที่มีฟอสฟอรัสปานกลางจะมีทั้งคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนและทนต่อการสึกหรอ และสารเคลือบที่มีฟอสฟอรัสต่ำจะมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าได้ดีกว่า

นอกจากนี้ ยิ่งขนาดอนุภาคของผงเพชรเล็กเท่าไร พื้นที่ผิวจำเพาะก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เมื่อทำการเคลือบ ผงเพชรก็จะลอยตัวได้ง่ายในสารละลายชุบ ทำให้เกิดการรั่วไหล การชุบ และชั้นเคลือบหลุดล่อน ดังนั้นก่อนการชุบ จำเป็นต้องควบคุมปริมาณฟอสฟอรัสและคุณภาพการเคลือบ เพื่อควบคุมการนำไฟฟ้าและความหนาแน่นของผงเพชร เพื่อลดการลอยตัวของผงเพชร

2. การชุบนิกเกิล: ปัจจุบัน การชุบผงเพชรมักใช้วิธีการเคลือบแบบหมุน กล่าวคือ เติมสารละลายชุบไฟฟ้าในปริมาณที่เหมาะสมลงในขวด เติมผงเพชรเทียมในปริมาณที่กำหนดลงในสารละลายชุบไฟฟ้า จากนั้นหมุนขวดเพื่อให้ผงเพชรในขวดหมุนไปพร้อมกัน ในขณะเดียวกัน ต่อขั้วบวกเข้ากับบล็อกนิกเกิล และต่อขั้วลบเข้ากับผงเพชรเทียม ภายใต้การทำงานของสนามไฟฟ้า ไอออนนิกเกิลอิสระในสารละลายชุบจะก่อตัวเป็นโลหะนิกเกิลบนพื้นผิวของผงเพชรเทียม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีปัญหาเรื่องประสิทธิภาพการเคลือบต่ำและการเคลือบไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นจึงได้มีการพัฒนาวิธีการใช้ขั้วไฟฟ้าหมุนขึ้นมา

วิธีการใช้ขั้วไฟฟ้าหมุนได้ คือการหมุนขั้วแคโทดในการชุบผงเพชร วิธีนี้สามารถเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างขั้วไฟฟ้ากับอนุภาคเพชร เพิ่มความนำไฟฟ้าที่สม่ำเสมอระหว่างอนุภาค ปรับปรุงปรากฏการณ์การเคลือบที่ไม่สม่ำเสมอ และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตของการชุบนิกเกิลด้วยเพชร

สรุปโดยย่อ

เนื่องจากผงเพชรเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตเครื่องมือเพชร การปรับปรุงพื้นผิวของผงเพชรจึงเป็นวิธีการสำคัญในการเพิ่มแรงยึดเกาะของเมทริกซ์และยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ เพื่อเพิ่มอัตราการรับน้ำหนักของทรายในเครื่องมือเพชร โดยทั่วไปแล้วจะสามารถเคลือบชั้นนิกเกลและฟอสฟอรัสบนพื้นผิวของผงเพชรเพื่อให้มีค่าการนำไฟฟ้าในระดับหนึ่ง จากนั้นจึงเพิ่มความหนาของชั้นเคลือบด้วยการชุบนิกเกลเพื่อเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ควรทราบว่าพื้นผิวของเพชรเองไม่มีศูนย์กลางการทำงานทางเคมี ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับสภาพพื้นผิวก่อนการเคลือบทางเคมี

เอกสารอ้างอิง:

Liu Han. การศึกษาเกี่ยวกับเทคโนโลยีการเคลือบผิวและคุณภาพของผงไมโครเพชรเทียม [D]. สถาบันเทคโนโลยีจงหยวน

หยางเปียว, หยางจุน และ หยวนกวงเซิง การศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการเตรียมพื้นผิวเคลือบเพชร [J]. การกำหนดมาตรฐานอวกาศ

หลี่ จิงฮวา. งานวิจัยเกี่ยวกับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและการประยุกต์ใช้ผงไมโครเพชรเทียมที่ใช้สำหรับเลื่อยลวด [D]. สถาบันเทคโนโลยีจงหยวน

Fang Lili, Zheng Lian, Wu Yanfei และคณะ กระบวนการชุบนิกเกิลทางเคมีของพื้นผิวเพชรเทียม [J]. วารสาร IOL.

บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ซ้ำในเครือข่ายวัสดุแข็งพิเศษ