Khi quá trình chuyển đổi từ sản xuất sang công nghệ cao cấp diễn ra nhanh chóng, ngành công nghiệp năng lượng sạch và bán dẫn, quang điện đang phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về dụng cụ kim cương với hiệu suất và độ chính xác gia công cao ngày càng tăng. Tuy nhiên, bột kim cương nhân tạo là nguyên liệu thô quan trọng nhất, hạt kim cương và lực giữ ma trận không đủ mạnh, dễ dàng làm giảm tuổi thọ của dụng cụ cacbua ban đầu. Để giải quyết những vấn đề này, ngành công nghiệp thường áp dụng phương pháp phủ bề mặt bột kim cương với vật liệu kim loại, nhằm cải thiện đặc tính bề mặt, tăng độ bền, từ đó nâng cao chất lượng tổng thể của dụng cụ.
Phương pháp phủ bề mặt bằng bột kim cương bao gồm mạ hóa học, mạ điện, mạ phún xạ magnetron, mạ bay hơi chân không, phản ứng nổ nóng, v.v., bao gồm mạ hóa học và mạ với quy trình trưởng thành, lớp phủ đồng đều, có thể kiểm soát chính xác thành phần và độ dày của lớp phủ, ưu điểm của lớp phủ tùy chỉnh đã trở thành hai công nghệ được sử dụng phổ biến nhất trong ngành.
1. mạ hóa học
Phủ hóa chất bột kim cương là phương pháp đưa bột kim cương đã qua xử lý vào dung dịch phủ hóa chất, và lắng đọng các ion kim loại trong dung dịch phủ thông qua tác dụng của chất khử trong dung dịch phủ hóa chất, tạo thành lớp phủ kim loại đặc. Hiện nay, phương pháp mạ hóa chất kim cương được sử dụng rộng rãi nhất là hợp kim nhị phân niken-phốt pho (Ni-P), thường được gọi là mạ niken hóa học.
01 Thành phần của dung dịch mạ niken hóa học
Thành phần của dung dịch mạ hóa học có ảnh hưởng quyết định đến tiến trình diễn ra trơn tru, độ ổn định và chất lượng lớp phủ của phản ứng hóa học. Dung dịch thường chứa muối chính, chất khử, chất phức, chất đệm, chất ổn định, chất xúc tiến, chất hoạt động bề mặt và các thành phần khác. Tỷ lệ của từng thành phần cần được điều chỉnh cẩn thận để đạt được hiệu quả phủ tốt nhất.
1, Muối chính: thường là niken sunfat, niken clorua, axit niken aminosunfonic, niken cacbonat, v.v., vai trò chính của nó là cung cấp nguồn niken.
2. Chất khử: chủ yếu cung cấp hydro nguyên tử, khử Ni2+ trong dung dịch mạ thành Ni và lắng đọng trên bề mặt hạt kim cương, là thành phần quan trọng nhất trong dung dịch mạ. Trong công nghiệp, natri photphat thứ cấp với khả năng khử mạnh, chi phí thấp và độ ổn định mạ tốt chủ yếu được sử dụng làm chất khử. Hệ thống khử có thể đạt được mạ hóa học ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao.
3, tác nhân phức hợp: dung dịch phủ có thể kết tủa kết tủa, tăng cường tính ổn định của dung dịch phủ, kéo dài tuổi thọ của dung dịch mạ, cải thiện tốc độ lắng đọng của niken, cải thiện chất lượng của lớp phủ, thường sử dụng axit succinin, axit citric, axit lactic và các axit hữu cơ khác và muối của chúng.
4. Các thành phần khác: chất ổn định có thể ức chế sự phân hủy của dung dịch mạ, nhưng vì nó sẽ ảnh hưởng đến sự xảy ra của phản ứng mạ hóa học, cần sử dụng vừa phải; chất đệm có thể tạo ra H + trong phản ứng mạ niken hóa học để đảm bảo sự ổn định liên tục của pH; chất hoạt động bề mặt có thể làm giảm độ xốp của lớp phủ.
02 Quy trình mạ niken hóa học
Mạ hóa học hệ thống natri hypophosphat đòi hỏi nền kim cương phải có hoạt tính xúc tác nhất định, và bản thân bề mặt kim cương không có trung tâm hoạt tính xúc tác, do đó cần phải xử lý sơ bộ trước khi mạ hóa học bột kim cương. Phương pháp xử lý sơ bộ truyền thống của mạ hóa học là loại bỏ dầu, làm thô, nhạy cảm hóa và hoạt hóa.
(1) Loại bỏ dầu, làm thô: Loại bỏ dầu chủ yếu là loại bỏ dầu, vết bẩn và các chất ô nhiễm hữu cơ khác trên bề mặt bột kim cương, đảm bảo độ khít và hiệu suất tốt của lớp phủ tiếp theo. Quá trình làm thô có thể tạo ra một số lỗ nhỏ và vết nứt trên bề mặt kim cương, làm tăng độ nhám bề mặt của kim cương, không chỉ có lợi cho việc hấp phụ các ion kim loại tại chỗ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình mạ hóa học và mạ điện tiếp theo, mà còn hình thành các bậc thang trên bề mặt kim cương, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình mạ hóa học hoặc mạ điện phát triển lớp lắng đọng kim loại.
Thông thường, bước loại bỏ dầu thường sử dụng dung dịch NaOH và các dung dịch kiềm khác làm dung dịch loại bỏ dầu, còn bước làm thô, sử dụng dung dịch axit nitric và các dung dịch axit khác làm dung dịch hóa chất thô để khắc bề mặt kim cương. Ngoài ra, hai khâu này nên được sử dụng kết hợp với máy làm sạch siêu âm, giúp nâng cao hiệu quả loại bỏ dầu và làm thô bột kim cương, tiết kiệm thời gian trong quá trình loại bỏ dầu và làm thô, đồng thời đảm bảo hiệu quả loại bỏ dầu và làm thô.
(2) Nhạy cảm và hoạt hóa: Quá trình nhạy cảm và hoạt hóa là bước quan trọng nhất trong toàn bộ quy trình mạ hóa học, liên quan trực tiếp đến việc mạ hóa học có thể thành công hay không. Nhạy cảm là hấp thụ các chất dễ bị oxy hóa trên bề mặt bột kim cương, vốn không có khả năng tự xúc tác. Hoạt hóa là hấp thụ quá trình oxy hóa của axit hypophosphoric và các ion kim loại hoạt động xúc tác (như palađi kim loại) trên quá trình khử các hạt niken, từ đó đẩy nhanh tốc độ lắng đọng của lớp phủ trên bề mặt bột kim cương.
Nói chung, thời gian xử lý nhạy cảm và hoạt hóa quá ngắn, sự hình thành điểm paladi kim loại trên bề mặt kim cương ít hơn, khả năng hấp phụ của lớp phủ không đủ, lớp phủ dễ bong ra hoặc khó hình thành lớp phủ hoàn chỉnh và thời gian xử lý quá dài sẽ gây lãng phí điểm paladi, do đó, thời gian tốt nhất để xử lý nhạy cảm và hoạt hóa là 20 ~ 30 phút.
(3) Mạ niken hóa học: Quá trình mạ niken hóa học không chỉ bị ảnh hưởng bởi thành phần của dung dịch phủ mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và giá trị PH của dung dịch phủ. Mạ niken hóa học nhiệt độ cao truyền thống, nhiệt độ chung sẽ ở mức 80~85℃, trên 85℃ dễ gây ra sự phân hủy của dung dịch mạ, và ở nhiệt độ thấp hơn 85℃, tốc độ phản ứng càng nhanh. Về giá trị PH, khi pH tăng, tốc độ lắng đọng lớp phủ sẽ tăng, nhưng pH cũng sẽ gây ra sự hình thành cặn muối niken ức chế tốc độ phản ứng hóa học, do đó trong quá trình mạ niken hóa học, bằng cách tối ưu hóa thành phần và tỷ lệ dung dịch mạ hóa học, điều kiện quy trình mạ hóa học, kiểm soát tốc độ lắng đọng lớp phủ hóa học, mật độ lớp phủ, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, phương pháp mật độ lớp phủ, phủ bột kim cương để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp.
Ngoài ra, một lớp phủ đơn lẻ có thể không đạt được độ dày lớp phủ lý tưởng và có thể xuất hiện các bọt khí, lỗ kim và các khuyết tật khác, do đó, có thể phủ nhiều lớp để cải thiện chất lượng lớp phủ và tăng khả năng phân tán bột kim cương phủ.
2. mạ niken điện
Do sự hiện diện của phốt pho trong lớp phủ sau khi mạ niken hóa học kim cương, dẫn đến độ dẫn điện kém, ảnh hưởng đến quá trình nạp cát của dụng cụ kim cương (quá trình cố định các hạt kim cương trên bề mặt ma trận), do đó, lớp mạ không có phốt pho có thể được sử dụng trong phương pháp mạ niken. Nguyên lý hoạt động cụ thể là đưa bột kim cương vào dung dịch phủ có chứa ion niken, các hạt kim cương tiếp xúc với điện cực âm công suất vào cực âm, khối kim loại niken được nhúng trong dung dịch mạ và kết nối với điện cực dương công suất để trở thành cực dương, thông qua tác động điện phân, các ion niken tự do trong dung dịch phủ bị khử thành các nguyên tử trên bề mặt kim cương, và các nguyên tử này phát triển thành lớp phủ.
01 Thành phần của dung dịch mạ
Giống như dung dịch mạ hóa học, dung dịch mạ điện chủ yếu cung cấp các ion kim loại cần thiết cho quá trình mạ điện và kiểm soát quá trình lắng đọng niken để đạt được lớp phủ kim loại cần thiết. Thành phần chính của dung dịch mạ điện bao gồm muối chính, chất hoạt động anode, chất đệm, phụ gia, v.v.
(1) Muối chính: chủ yếu sử dụng niken sunfat, niken aminosunfonat, v.v. Nhìn chung, nồng độ muối chính càng cao thì tốc độ khuếch tán trong dung dịch mạ càng nhanh, hiệu suất dòng điện càng cao, tốc độ lắng đọng kim loại càng lớn, nhưng các hạt phủ sẽ trở nên thô, nồng độ muối chính càng giảm thì độ dẫn điện của lớp phủ càng kém và khó kiểm soát.
(2) Chất hoạt động anot: vì anot dễ bị thụ động hóa, dễ dẫn điện kém, ảnh hưởng đến tính đồng đều của sự phân bố dòng điện, do đó cần phải thêm niken clorua, natri clorua và các chất khác làm chất hoạt hóa anot để thúc đẩy quá trình hoạt hóa anot, cải thiện mật độ dòng điện thụ động của anot.
(3) Chất đệm: Giống như dung dịch mạ hóa học, chất đệm có thể duy trì độ ổn định tương đối của dung dịch mạ và pH catốt, do đó có thể dao động trong phạm vi cho phép của quá trình mạ điện. Chất đệm thông dụng bao gồm axit boric, axit axetic, natri bicacbonat, v.v.
(4) Các chất phụ gia khác: theo yêu cầu của lớp phủ, thêm một lượng thích hợp chất tạo sáng, chất tạo phẳng, chất tạo ướt và các chất phụ gia khác để nâng cao chất lượng lớp phủ.
02 Dòng chảy niken mạ điện kim cương
1. Xử lý sơ bộ trước khi mạ: Kim cương thường không dẫn điện, cần được mạ một lớp kim loại thông qua các quy trình phủ khác. Phương pháp mạ hóa học thường được sử dụng để mạ trước một lớp kim loại và làm dày lớp mạ, do đó chất lượng lớp phủ hóa học sẽ ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ ở một mức độ nhất định. Nhìn chung, hàm lượng phốt pho trong lớp phủ sau khi mạ hóa học có ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp phủ. Lớp phủ có hàm lượng phốt pho cao có khả năng chống ăn mòn tương đối tốt trong môi trường axit, bề mặt lớp phủ có nhiều khối u, độ nhám bề mặt lớn và không có từ tính; lớp phủ có hàm lượng phốt pho trung bình có khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn; lớp phủ có hàm lượng phốt pho thấp có khả năng dẫn điện tương đối tốt.
Ngoài ra, kích thước hạt bột kim cương càng nhỏ thì diện tích bề mặt riêng càng lớn, khi phủ, dễ nổi trong dung dịch mạ, sẽ tạo ra hiện tượng rò rỉ, mạ, lớp phủ bong tróc, trước khi mạ, cần kiểm soát hàm lượng P và chất lượng lớp phủ, kiểm soát độ dẫn điện và mật độ của bột kim cương để cải thiện khả năng nổi của bột.
2. Mạ niken: Hiện nay, mạ bột kim cương thường áp dụng phương pháp phủ lăn, tức là thêm một lượng dung dịch mạ điện phù hợp vào chai, sau đó một lượng bột kim cương nhân tạo nhất định vào dung dịch mạ điện, thông qua chuyển động quay của chai, đẩy bột kim cương trong chai lăn. Đồng thời, điện cực dương được kết nối với khối niken, và điện cực âm được kết nối với bột kim cương nhân tạo. Dưới tác động của điện trường, các ion niken tự do trong dung dịch mạ tạo thành niken kim loại trên bề mặt bột kim cương nhân tạo. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là hiệu suất phủ thấp và lớp phủ không đồng đều, do đó phương pháp điện cực quay đã ra đời.
Phương pháp điện cực quay là xoay cực âm trong mạ bột kim cương. Phương pháp này có thể tăng diện tích tiếp xúc giữa điện cực và các hạt kim cương, tăng độ dẫn điện đồng đều giữa các hạt, cải thiện hiện tượng lớp phủ không đồng đều và nâng cao hiệu quả sản xuất mạ niken kim cương.
tóm tắt ngắn gọn
Là nguyên liệu chính của dụng cụ kim cương, việc biến tính bề mặt bột kim cương vi mô là một biện pháp quan trọng để tăng cường lực kiểm soát ma trận và cải thiện tuổi thọ của dụng cụ. Để cải thiện tốc độ nạp cát của dụng cụ kim cương, thông thường có thể mạ một lớp niken và phốt pho lên bề mặt bột kim cương vi mô để có độ dẫn điện nhất định, sau đó làm dày lớp mạ bằng cách mạ niken, từ đó tăng cường độ dẫn điện. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng bản thân bề mặt kim cương không có tâm hoạt động xúc tác, vì vậy cần phải xử lý sơ bộ trước khi mạ hóa học.
tài liệu tham khảo:
Lưu Hán. Nghiên cứu công nghệ phủ bề mặt và chất lượng bột vi kim cương nhân tạo [D]. Viện Công nghệ Trung Nguyên.
Dương Bưu, Dương Quân, Nguyên Quảng Sinh. Nghiên cứu quy trình tiền xử lý phủ bề mặt kim cương [J]. Chuẩn hóa không gian.
Lý Tĩnh Hoa. Nghiên cứu biến tính bề mặt và ứng dụng bột kim cương nhân tạo vi mô dùng cho cưa dây [D]. Viện Công nghệ Trung Nguyên.
Fang Lili, Zheng Lian, Wu Yanfei, et al. Quy trình mạ niken hóa học bề mặt kim cương nhân tạo [J]. Tạp chí IOL.
Bài viết này được đăng lại trên mạng vật liệu siêu cứng
Thời gian đăng: 13-03-2025
