วิธีการเคลือบผงเพชรเป็นอย่างไร?

จากการผลิตสู่การเปลี่ยนผ่านสู่การผลิตขั้นสูง การพัฒนาอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมพลังงานสะอาด เซมิคอนดักเตอร์ และพลังงานแสงอาทิตย์ ส่งผลให้ความต้องการเครื่องมือเพชรเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ผงเพชรเทียมเป็นวัตถุดิบสำคัญที่สุด แรงยึดเกาะของเพชรและเมทริกซ์ไม่แข็งแรง อายุการใช้งานของเครื่องมือคาร์ไบด์ช่วงต้นจึงสั้น เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ อุตสาหกรรมจึงนิยมใช้ผงเพชรเคลือบผิวโลหะ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิว เพิ่มความทนทาน และปรับปรุงคุณภาพโดยรวมของเครื่องมือ

วิธีการเคลือบผิวด้วยผงเพชรนั้นมีมากมาย รวมถึงการชุบด้วยเคมี การชุบด้วยไฟฟ้า การชุบด้วยสปัตเตอร์แมกนีตรอน การชุบด้วยการระเหยสูญญากาศ ปฏิกิริยาระเบิดร้อน ฯลฯ ซึ่งรวมถึงการชุบด้วยเคมีและการชุบด้วยกระบวนการที่สมบูรณ์ การเคลือบที่สม่ำเสมอ สามารถควบคุมองค์ประกอบและความหนาของการเคลือบได้อย่างแม่นยำ ข้อดีของการเคลือบแบบกำหนดเอง ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสองประการในอุตสาหกรรม

1. การชุบเคมี

การเคลือบด้วยผงเพชรทางเคมีคือการนำผงเพชรที่ผ่านการเคลือบแล้วไปใส่ในสารละลายเคลือบเคมี และปล่อยไอออนโลหะลงในสารละลายเคลือบโดยอาศัยการทำงานของตัวรีดิวซ์ในสารละลายเคลือบเคมี ทำให้เกิดการเคลือบโลหะที่มีความหนาแน่นสูง ปัจจุบัน การชุบด้วยเพชรทางเคมีที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือการชุบนิกเกิลทางเคมีและฟอสฟอรัส (Ni-P) ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าการชุบนิกเกิลทางเคมี

01 องค์ประกอบของสารละลายชุบนิกเกิลทางเคมี

องค์ประกอบของสารละลายชุบเคมีมีอิทธิพลสำคัญต่อความราบรื่นของปฏิกิริยาเคมี ความเสถียร และคุณภาพการเคลือบ โดยทั่วไปจะประกอบด้วยเกลือหลัก สารรีดิวซ์ สารเชิงซ้อน บัฟเฟอร์ สารคงตัว สารเร่งปฏิกิริยา สารลดแรงตึงผิว และส่วนประกอบอื่นๆ สัดส่วนของส่วนประกอบแต่ละชนิดต้องได้รับการปรับอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การเคลือบที่ดีที่สุด

1. เกลือหลัก: โดยทั่วไปคือ นิกเกิลซัลเฟต นิกเกิลคลอไรด์ นิกเกิลอะมิโนซัลโฟนิกแอซิด นิกเกิลคาร์บอเนต ฯลฯ บทบาทหลักคือการจัดหาแหล่งนิกเกิล

2. สารรีดิวซ์: ส่วนใหญ่จะให้ไฮโดรเจนอะตอม รีดิวซ์ Ni2+ ในสารละลายชุบให้เป็น Ni และสะสมบนพื้นผิวของอนุภาคเพชร ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในสารละลายชุบ ในอุตสาหกรรม โซเดียมฟอสเฟตทุติยภูมิที่มีความสามารถในการรีดิวซ์สูง ต้นทุนต่ำ และเสถียรภาพในการชุบที่ดี มักถูกใช้เป็นสารรีดิวซ์ ระบบรีดิวซ์นี้สามารถชุบทางเคมีได้ทั้งที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิสูง

3. ตัวแทนที่ซับซ้อน: สารละลายเคลือบสามารถตกตะกอนได้ เพิ่มความเสถียรของสารละลายเคลือบ ยืดอายุการใช้งานของสารละลายชุบ ปรับปรุงความเร็วในการสะสมของนิกเกิล ปรับปรุงคุณภาพของชั้นเคลือบ โดยทั่วไปจะใช้กรดซักซินิน กรดซิตริก กรดแลคติก และกรดอินทรีย์อื่นๆ และเกลือของกรดเหล่านี้

4. ส่วนประกอบอื่น ๆ : สารทำให้คงตัวสามารถยับยั้งการสลายตัวของสารละลายชุบ แต่เนื่องจากจะส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในการชุบ จึงจำเป็นต้องใช้ในปริมาณที่พอเหมาะ บัฟเฟอร์สามารถผลิต H + ในระหว่างปฏิกิริยาเคมีในการชุบนิกเกิลเพื่อให้แน่ใจว่าค่า pH มีเสถียรภาพอย่างต่อเนื่อง สารลดแรงตึงผิวสามารถลดรูพรุนของสารเคลือบได้

02 กระบวนการชุบนิกเกิลทางเคมี

การชุบด้วยสารเคมีของระบบโซเดียมไฮโปฟอสเฟตนั้น เมทริกซ์จะต้องมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาในระดับหนึ่ง และพื้นผิวของเพชรเองก็ไม่มีศูนย์กลางกิจกรรมเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นจึงต้องผ่านการปรับสภาพเบื้องต้นก่อนการชุบผงเพชรด้วยสารเคมี วิธีการปรับสภาพเบื้องต้นแบบดั้งเดิมของการชุบด้วยสารเคมีคือ การกำจัดน้ำมัน การขัดผิว การทำให้เกิดความไว และการกระตุ้น

(1) การกำจัดน้ำมัน การขัดผิว: การกำจัดน้ำมันส่วนใหญ่มีวัตถุประสงค์เพื่อกำจัดน้ำมัน คราบสกปรก และสารปนเปื้อนอินทรีย์อื่นๆ บนพื้นผิวของผงเพชร เพื่อให้มั่นใจว่าการเคลือบผิวครั้งต่อไปจะแนบสนิทและมีประสิทธิภาพที่ดี การขัดผิวอาจทำให้เกิดหลุมและรอยแตกเล็กๆ บนพื้นผิวเพชร เพิ่มความหยาบของพื้นผิวของเพชร ซึ่งไม่เพียงแต่เอื้อต่อการดูดซับไอออนของโลหะในบริเวณนี้ อำนวยความสะดวกในการชุบเคมีและการชุบด้วยไฟฟ้าในภายหลัง แต่ยังก่อให้เกิดขั้นตอนบนพื้นผิวของเพชร ซึ่งเป็นสภาวะที่เอื้อต่อการเจริญเติบโตของชั้นเคลือบโลหะแบบชุบเคมีหรือการชุบด้วยไฟฟ้า

โดยทั่วไป ขั้นตอนการกำจัดน้ำมันมักใช้สารละลาย NaOH และสารละลายด่างอื่นๆ เป็นสารละลายกำจัดน้ำมัน ส่วนขั้นตอนการทำให้หยาบ จะใช้กรดไนตริกและสารละลายกรดอื่นๆ เป็นสารละลายเคมีดิบเพื่อกัดกร่อนพื้นผิวเพชร นอกจากนี้ ควรใช้อุปกรณ์ทั้งสองนี้ร่วมกับเครื่องทำความสะอาดอัลตราโซนิก ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดน้ำมันและการทำให้หยาบจากผงเพชร ช่วยประหยัดเวลาในกระบวนการกำจัดน้ำมันและการทำให้หยาบ และให้ผลลัพธ์ของการกำจัดน้ำมันและการทำให้หยาบ

(2) การทำให้ไวต่อแสงและการกระตุ้น: กระบวนการทำให้ไวต่อแสงและการกระตุ้นเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการชุบเคมีทั้งหมด ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความสามารถในการชุบเคมี การทำให้ไวต่อแสงคือการดูดซับสารออกซิไดซ์ได้ง่ายบนพื้นผิวของผงเพชรซึ่งไม่มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ การกระตุ้นคือการดูดซับออกซิเดชันของกรดไฮโปฟอสฟอริกและไอออนโลหะที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา (เช่น โลหะแพลเลเดียม) ที่เกิดจากปฏิกิริยารีดักชันของอนุภาคนิกเกิล เพื่อเร่งอัตราการเคลือบบนพื้นผิวของผงเพชร

โดยทั่วไปแล้ว เวลาในการรักษาความไวและการกระตุ้นจะสั้นเกินไป การสร้างจุดแพลเลเดียมของโลหะบนพื้นผิวเพชรจะน้อย การดูดซับของสารเคลือบจะไม่เพียงพอ ชั้นเคลือบจะหลุดออกง่ายหรือสร้างสารเคลือบให้สมบูรณ์ได้ยาก และเวลาในการรักษาที่นานเกินไป จะทำให้จุดแพลเลเดียมสูญเปล่า ดังนั้น เวลาที่ดีที่สุดสำหรับการรักษาความไวและการกระตุ้นคือ 20~30 นาที

(3) การชุบนิกเกิลทางเคมี: กระบวนการชุบนิกเกิลทางเคมีไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารละลายเคลือบเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและค่า pH ของสารละลายเคลือบด้วย การชุบนิกเกิลทางเคมีด้วยอุณหภูมิสูงแบบดั้งเดิม โดยทั่วไปอุณหภูมิจะอยู่ที่ 80-85°C หากอุณหภูมิสูงกว่า 85°C จะทำให้สารละลายเคลือบสลายตัวได้ง่าย และที่อุณหภูมิต่ำกว่า 85°C อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเร็วขึ้น เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น อัตราการสะสมของสารเคลือบก็จะสูงขึ้น แต่ค่า pH จะทำให้การสะสมของเกลือนิกเกิลลดลง อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจึงถูกยับยั้ง ดังนั้นในกระบวนการชุบนิกเกิลทางเคมี การปรับองค์ประกอบและอัตราส่วนของสารละลายเคลือบ สภาวะต่างๆ ในกระบวนการชุบเคมี การควบคุมอัตราการสะสมของสารเคลือบ ความหนาแน่นของสารเคลือบ ความต้านทานการกัดกร่อนของสารเคลือบ วิธีการเคลือบความหนาแน่น และผงเพชรเคลือบ จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรม

นอกจากนี้ การเคลือบเพียงครั้งเดียวอาจไม่สามารถบรรลุความหนาของการเคลือบที่เหมาะสม และอาจมีฟองอากาศ รูเข็ม และข้อบกพร่องอื่นๆ ดังนั้นจึงสามารถเคลือบซ้ำได้หลายครั้งเพื่อปรับปรุงคุณภาพของการเคลือบและเพิ่มการกระจายตัวของผงเพชรที่เคลือบ

2. การชุบนิกเกิลด้วยไฟฟ้า

เนื่องจากฟอสฟอรัสมีอยู่ในชั้นเคลือบหลังจากการชุบนิกเกิลด้วยเพชรเคมี ทำให้การนำไฟฟ้าต่ำ ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการโหลดทรายของเครื่องมือเพชร (กระบวนการตรึงอนุภาคเพชรบนพื้นผิวเมทริกซ์) จึงสามารถใช้ชั้นเคลือบที่ไม่มีฟอสฟอรัสแทนการชุบนิกเกิลได้ การทำงานเฉพาะคือการนำผงเพชรใส่ลงในสารละลายเคลือบที่มีไอออนของนิกเกิล อนุภาคเพชรสัมผัสกับขั้วลบของขั้วบวกไฟฟ้าเข้าไปในขั้วลบ นำแท่งโลหะนิกเกิลจุ่มลงในสารละลายเคลือบและเชื่อมต่อกับขั้วบวกไฟฟ้าไฟฟ้าจนกลายเป็นขั้วบวก ผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลต์ ไอออนนิกเกิลอิสระในสารละลายเคลือบจะถูกรีดิวซ์เป็นอะตอมบนพื้นผิวเพชร และอะตอมจะเติบโตเข้าไปในชั้นเคลือบ

01 องค์ประกอบของสารละลายชุบ

เช่นเดียวกับสารละลายชุบเคมี สารละลายชุบด้วยไฟฟ้าจะให้ไอออนโลหะที่จำเป็นสำหรับกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้าเป็นหลัก และควบคุมกระบวนการสะสมนิกเกิลเพื่อให้ได้ชั้นเคลือบโลหะตามที่ต้องการ ส่วนประกอบหลักประกอบด้วยเกลือหลัก สารออกฤทธิ์แอโนด สารบัฟเฟอร์ สารเติมแต่ง และอื่นๆ

(1) เกลือหลัก: ใช้เป็นหลักนิกเกิลซัลเฟต นิกเกิลอะมิโนซัลโฟเนต ฯลฯ โดยทั่วไป ยิ่งความเข้มข้นของเกลือหลักสูง การแพร่กระจายในสารละลายชุบจะยิ่งเร็วขึ้น ประสิทธิภาพปัจจุบัน อัตราการสะสมโลหะก็จะสูงขึ้น แต่เมล็ดเคลือบจะหยาบขึ้น และยิ่งความเข้มข้นของเกลือหลักลดลง การเคลือบก็จะยิ่งนำไฟฟ้าแย่ลง และควบคุมได้ยาก

(2) ตัวแทนที่ออกฤทธิ์ของขั้วบวก: เนื่องจากขั้วบวกนั้นเกิดการทำให้เฉื่อยได้ง่าย มีสภาพนำไฟฟ้าต่ำ ส่งผลต่อความสม่ำเสมอของการกระจายกระแสไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องเติมนิกเกิลคลอไรด์ โซเดียมคลอไรด์ และตัวแทนอื่นๆ เป็นตัวกระตุ้นขั้วบวกเพื่อส่งเสริมการทำงานของขั้วบวก และปรับปรุงความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าของการทำให้เฉื่อยของขั้วบวก

(3) สารบัฟเฟอร์: เช่นเดียวกับสารละลายชุบเคมี สารบัฟเฟอร์สามารถรักษาเสถียรภาพสัมพัทธ์ของสารละลายชุบและค่า pH ของแคโทด เพื่อให้สามารถผันผวนได้ภายในช่วงที่อนุญาตของกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้า สารบัฟเฟอร์ทั่วไป ได้แก่ กรดบอริก กรดอะซิติก โซเดียมไบคาร์บอเนต และอื่นๆ

(4) สารเติมแต่งอื่น ๆ : ตามความต้องการของการเคลือบ ให้เติมสารเคลือบเงา สารปรับระดับ สารลดแรงตึงผิว และสารอื่นๆ ในปริมาณที่เหมาะสม รวมถึงสารเติมแต่งอื่น ๆ เพื่อปรับปรุงคุณภาพของการเคลือบ

02 การไหลนิกเกิลชุบเพชร

1. การเตรียมผิวก่อนการชุบ: เพชรมักไม่นำไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องชุบด้วยชั้นโลหะผ่านกระบวนการเคลือบอื่นๆ วิธีการชุบด้วยสารเคมีมักใช้เพื่อเตรียมผิวโลหะให้หนาขึ้นก่อนการชุบ ดังนั้นคุณภาพของสารเคลือบเคมีจะส่งผลต่อคุณภาพของชั้นชุบในระดับหนึ่ง โดยทั่วไป ปริมาณฟอสฟอรัสในสารเคลือบหลังการชุบด้วยสารเคมีมีผลอย่างมากต่อคุณภาพของสารเคลือบ สารเคลือบที่มีฟอสฟอรัสสูงจะมีความต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดได้ดีกว่า พื้นผิวของสารเคลือบจะมีเนื้องอกนูนมากขึ้น มีความขรุขระของพื้นผิวสูง และไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก สารเคลือบที่มีฟอสฟอรัสปานกลางจะมีทั้งความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการสึกหรอ ในขณะที่สารเคลือบที่มีฟอสฟอรัสต่ำจะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีกว่า

นอกจากนี้ ยิ่งขนาดอนุภาคของผงเพชรมีขนาดเล็ก พื้นที่ผิวจำเพาะก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น เมื่อทำการเคลือบ จะลอยอยู่ในสารละลายชุบได้ง่าย ซึ่งจะทำให้เกิดการรั่วไหล ทำให้เกิดชั้นเคลือบหลวมๆ ก่อนทำการชุบ จำเป็นต้องควบคุมปริมาณฟอสฟอรัสและคุณภาพของการเคลือบ เพื่อควบคุมการนำไฟฟ้าและความหนาแน่นของผงเพชร เพื่อปรับปรุงให้ผงลอยได้ง่าย

2. การชุบนิกเกิล: ปัจจุบันการชุบด้วยผงเพชรมักใช้วิธีการเคลือบแบบกลิ้ง กล่าวคือ เติมสารละลายชุบไฟฟ้าในปริมาณที่เหมาะสมลงในขวดบรรจุ จากนั้นจึงเติมผงเพชรเทียมในปริมาณที่กำหนดลงในสารละลายชุบไฟฟ้า จากนั้นขวดจะหมุนผงเพชรที่บรรจุอยู่ในขวดให้กลิ้ง ขณะเดียวกัน ขั้วบวกจะเชื่อมต่อกับบล็อกนิกเกิล และขั้วลบจะเชื่อมต่อกับผงเพชรเทียม ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ไอออนของนิกเกิลที่ปราศจากในสารละลายชุบจะก่อตัวเป็นนิกเกิลบนพื้นผิวของผงเพชรเทียม อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีปัญหาเรื่องประสิทธิภาพการเคลือบต่ำและการเคลือบที่ไม่สม่ำเสมอ จึงเกิดวิธีการเคลือบด้วยอิเล็กโทรดแบบหมุนขึ้น

วิธีการหมุนอิเล็กโทรดคือการหมุนแคโทดในการชุบด้วยผงเพชร วิธีนี้สามารถเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและอนุภาคเพชร เพิ่มความสม่ำเสมอของการนำไฟฟ้าระหว่างอนุภาค ปรับปรุงปรากฏการณ์การเคลือบที่ไม่สม่ำเสมอ และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตของการชุบด้วยเพชรนิกเกิล

สรุปสั้น ๆ

เนื่องจากเป็นวัตถุดิบหลักของเครื่องมือเพชร การปรับสภาพพื้นผิวของผงเพชรขนาดเล็กจึงเป็นวิธีการสำคัญในการเพิ่มแรงควบคุมเมทริกซ์และยืดอายุการใช้งานของเครื่องมือ เพื่อปรับปรุงอัตราการรับน้ำหนักทรายของเครื่องมือเพชร โดยทั่วไปสามารถชุบนิกเกิลและฟอสฟอรัสบนพื้นผิวของผงเพชรขนาดเล็กเพื่อให้มีค่าการนำไฟฟ้าที่แน่นอน จากนั้นจึงเพิ่มความหนาของชั้นชุบด้วยการชุบนิกเกิลเพื่อเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าพื้นผิวของเพชรเองไม่มีจุดศูนย์กลางเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นจึงจำเป็นต้องผ่านการปรับสภาพพื้นผิวก่อนการชุบทางเคมี

เอกสารอ้างอิง:

หลิว ฮั่น. การศึกษาเทคโนโลยีการเคลือบผิวและคุณภาพของผงไมโครเพชรเทียม [D]. สถาบันเทคโนโลยีจงหยวน

หยาง เปียว หยาง จุน และหยวน กวงเซิง ศึกษากระบวนการเตรียมผิวเคลือบเพชร [J] การกำหนดมาตรฐานพื้นที่ว่าง

หลี่จิงหัว งานวิจัยเกี่ยวกับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและการประยุกต์ใช้ผงไมโครเพชรเทียมสำหรับเลื่อยลวด [D] สถาบันเทคโนโลยีจงหยวน

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

บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ซ้ำในเครือข่ายวัสดุ superhard