Mit dem Wandel hin zur High-End-Produktion und der rasanten Entwicklung in den Bereichen saubere Energie sowie Halbleiter- und Photovoltaikindustrie steigt die Nachfrage nach hocheffizienten und hochpräzisen Diamantwerkzeugen. Künstliches Diamantpulver als wichtigster Rohstoff weist jedoch eine schwache Haltekraft auf, was die Lebensdauer von Hartmetallwerkzeugen verkürzt. Um diese Probleme zu lösen, werden in der Industrie häufig Oberflächen aus Diamantpulver beschichtet, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern, die Haltbarkeit zu erhöhen und so die Gesamtqualität des Werkzeugs zu steigern.
Es gibt mehr Methoden zur Oberflächenbeschichtung mit Diamantpulver, darunter chemisches Plattieren, Galvanisieren, Magnetronsputtern, Vakuumverdampfen, Heißdampfreaktion usw., einschließlich chemischem Plattieren und Plattieren mit ausgereiften Verfahren. Eine gleichmäßige Beschichtung ermöglicht eine genaue Steuerung der Beschichtungszusammensetzung und -dicke und bietet die Vorteile einer kundenspezifischen Beschichtung. Daher sind sie zu den beiden am häufigsten verwendeten Technologien der Branche geworden.
1. Chemische Beschichtung
Bei der chemischen Beschichtung mit Diamantpulver wird das behandelte Diamantpulver in eine chemische Beschichtungslösung gegeben. Durch die Einwirkung des Reduktionsmittels in der chemischen Beschichtungslösung werden die Metallionen in der Beschichtungslösung abgeschieden, wodurch eine dichte Metallbeschichtung entsteht. Die derzeit am häufigsten verwendete chemische Diamantbeschichtung ist die chemische Vernickelung mit einer binären Legierung aus Phosphor (Ni-P), die üblicherweise als chemische Vernickelung bezeichnet wird.
01 Zusammensetzung der chemischen Vernickelungslösung
Die Zusammensetzung der chemischen Beschichtungslösung hat entscheidenden Einfluss auf den reibungslosen Ablauf, die Stabilität und die Beschichtungsqualität der chemischen Reaktion. Sie enthält üblicherweise Hauptsalz, Reduktionsmittel, Komplexbildner, Puffer, Stabilisator, Beschleuniger, Tensid und weitere Komponenten. Der Anteil der einzelnen Komponenten muss sorgfältig abgestimmt werden, um den besten Beschichtungseffekt zu erzielen.
1. Hauptsalz: normalerweise Nickelsulfat, Nickelchlorid, Nickelaminosulfonsäure, Nickelcarbonat usw., seine Hauptaufgabe besteht darin, eine Nickelquelle bereitzustellen.
2. Reduktionsmittel: Es liefert hauptsächlich atomaren Wasserstoff, reduziert Ni2+ in der Beschichtungslösung zu Ni und lagert es auf der Oberfläche von Diamantpartikeln ab, dem wichtigsten Bestandteil der Beschichtungslösung. In der Industrie wird hauptsächlich Natriumsekundärphosphat mit starker Reduktionsfähigkeit, geringen Kosten und guter Beschichtungsstabilität als Reduktionsmittel verwendet. Das Reduktionssystem ermöglicht eine chemische Beschichtung bei niedrigen und hohen Temperaturen.
3. Komplexbildner: Die Beschichtungslösung kann Niederschläge ausfällen, die Stabilität der Beschichtungslösung verbessern, die Lebensdauer der Beschichtungslösung verlängern, die Abscheidungsgeschwindigkeit von Nickel verbessern und die Qualität der Beschichtungsschicht verbessern. Im Allgemeinen werden Bernsteinsäure, Zitronensäure, Milchsäure und andere organische Säuren und deren Salze verwendet.
4. Andere Komponenten: Der Stabilisator kann die Zersetzung der Beschichtungslösung hemmen, aber da er das Auftreten chemischer Beschichtungsreaktionen beeinflusst, ist eine maßvolle Verwendung erforderlich. Der Puffer kann während der chemischen Vernickelungsreaktion H + produzieren, um die kontinuierliche Stabilität des pH-Werts sicherzustellen. Das Tensid kann die Porosität der Beschichtung verringern.
02 Der chemische Vernickelungsprozess
Die chemische Beschichtung mit Natriumhypophosphat erfordert eine gewisse katalytische Aktivität der Matrix. Die Diamantoberfläche selbst besitzt kein katalytisches Aktivitätszentrum und muss daher vor der chemischen Beschichtung mit Diamantpulver vorbehandelt werden. Die traditionelle Vorbehandlungsmethode der chemischen Beschichtung besteht aus Ölentfernung, Vergröberung, Sensibilisierung und Aktivierung.
(1) Ölentfernung, Vergröberung: Die Ölentfernung dient hauptsächlich dazu, Öl, Flecken und andere organische Verunreinigungen von der Oberfläche des Diamantpulvers zu entfernen, um die Passgenauigkeit und die gute Leistung der nachfolgenden Beschichtung zu gewährleisten. Durch die Vergröberung können sich kleine Löcher und Risse auf der Diamantoberfläche bilden und die Oberflächenrauheit des Diamanten erhöhen. Dies fördert nicht nur die Adsorption von Metallionen an dieser Stelle und erleichtert die nachfolgende chemische und galvanische Beschichtung, sondern bildet auch Stufen auf der Diamantoberfläche, die günstige Bedingungen für das Wachstum der chemisch oder galvanisch aufgebrachten Metallabscheidungsschicht schaffen.
Üblicherweise wird für die Ölentfernung NaOH oder eine andere alkalische Lösung verwendet, während für die Vergröberung Salpetersäure oder eine andere Säurelösung als chemische Rohlösung zum Ätzen der Diamantoberfläche verwendet wird. Zusätzlich sollten diese beiden Verbindungen mit einem Ultraschallreinigungsgerät verwendet werden, um die Effizienz der Ölentfernung und Vergröberung von Diamantpulver zu verbessern, Zeit bei der Ölentfernung und Vergröberung zu sparen und die Wirkung der Ölentfernung und Vergröberung sicherzustellen.
(2) Sensibilisierung und Aktivierung: Der Sensibilisierungs- und Aktivierungsprozess ist der kritischste Schritt im gesamten chemischen Beschichtungsprozess und hängt direkt davon ab, ob die chemische Beschichtung durchgeführt werden kann. Die Sensibilisierung dient der Adsorption leicht oxidierbarer Substanzen auf der Oberfläche von Diamantpulver, das keine autokatalytischen Eigenschaften besitzt. Die Aktivierung dient der Adsorption der Oxidation von Hypophosphorsäure und katalytisch aktiven Metallionen (wie metallischem Palladium) auf der Reduktion von Nickelpartikeln, um die Abscheidungsrate der Beschichtung auf der Oberfläche des Diamantpulvers zu beschleunigen.
Im Allgemeinen ist die Ausbildung von Palladiumpunkten auf der Diamantoberfläche bei zu kurzer Sensibilisierungs- und Aktivierungsbehandlungszeit geringer, die Adsorption der Beschichtung ist unzureichend, die Beschichtungsschicht fällt leicht ab oder bildet nur schwer eine vollständige Beschichtung, und bei zu langer Behandlungszeit gehen die Palladiumpunkte verloren. Daher beträgt die beste Zeit für die Sensibilisierungs- und Aktivierungsbehandlung 20–30 Minuten.
(3) Chemisches Vernickeln: Der chemische Vernickelungsprozess wird nicht nur von der Zusammensetzung der Beschichtungslösung beeinflusst, sondern auch von der Temperatur der Beschichtungslösung und dem pH-Wert. Bei herkömmlichen chemischen Vernickelungen bei hohen Temperaturen liegt die Temperatur im Allgemeinen zwischen 80 und 85 °C. Über 85 °C zersetzt sich die Beschichtungslösung leicht, und unter 85 °C ist die Reaktionsgeschwindigkeit schneller. Mit steigendem pH-Wert steigt die Beschichtungsablagerungsrate, aber ein höherer pH-Wert führt auch zur Bildung von Nickelsalzablagerungen, was die chemische Reaktionsgeschwindigkeit hemmt. Daher werden beim chemischen Vernickeln die Ablagerungsrate der chemischen Beschichtung, die Beschichtungsdichte, die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung, die Beschichtungsdichtemethode und die Diamantpulverbeschichtung durch Optimierung der Zusammensetzung und des Verhältnisses der chemischen Beschichtungslösung sowie der Prozessbedingungen des chemischen Vernickelns gesteuert, um den Anforderungen der industriellen Entwicklung gerecht zu werden.
Darüber hinaus erreicht eine einzelne Beschichtung möglicherweise nicht die ideale Schichtdicke und es können Blasen, Nadellöcher und andere Defekte auftreten. Daher können mehrere Beschichtungen vorgenommen werden, um die Qualität der Beschichtung zu verbessern und die Dispersion des beschichteten Diamantpulvers zu erhöhen.
2. Elektrovernickeln
Aufgrund des Vorhandenseins von Phosphor in der Beschichtungsschicht nach der chemischen Vernickelung von Diamanten kommt es zu einer schlechten elektrischen Leitfähigkeit, was den Sandladevorgang des Diamantwerkzeugs beeinträchtigt (den Vorgang der Fixierung der Diamantpartikel auf der Matrixoberfläche). Daher kann eine Beschichtungsschicht ohne Phosphor zum Vernickeln verwendet werden. Der genaue Vorgang besteht darin, das Diamantpulver in eine Beschichtungslösung mit Nickelionen zu geben. Die Diamantpartikel werden mit der negativen Stromelektrode in Kontakt gebracht und bilden die Kathode. Ein Nickelmetallblock wird in die Beschichtungslösung getaucht und mit der positiven Stromelektrode verbunden, um die Anode zu bilden. Durch die elektrolytische Wirkung werden die freien Nickelionen in der Beschichtungslösung auf der Diamantoberfläche zu Atomen reduziert und die Atome wachsen in die Beschichtung hinein.
01 Zusammensetzung der Beschichtungslösung
Wie die chemische Beschichtungslösung liefert auch die Galvanisierungslösung hauptsächlich die notwendigen Metallionen für den Galvanisierungsprozess und steuert den Nickelabscheidungsprozess, um die gewünschte Metallbeschichtung zu erhalten. Zu ihren Hauptbestandteilen gehören Hauptsalz, Anodenwirkstoff, Puffermittel, Additive usw.
(1) Hauptsalz: hauptsächlich Nickelsulfat, Nickelaminosulfonat usw. werden verwendet. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Hauptsalzkonzentration, desto schneller ist die Diffusion in der Beschichtungslösung, desto höher ist die Stromausbeute und die Metallabscheidungsrate, aber die Beschichtungskörner werden gröber und je niedriger die Hauptsalzkonzentration, desto schlechter ist die Leitfähigkeit der Beschichtung und desto schwieriger ist sie zu kontrollieren.
(2) Anodenaktivmittel: Da die Anode leicht passiviert wird und eine schlechte Leitfähigkeit aufweist, was die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung beeinträchtigt, ist es notwendig, Nickelchlorid, Natriumchlorid und andere Mittel als anodisches Aktivmittel hinzuzufügen, um die Anodenaktivierung zu fördern und die Stromdichte der Anodenpassivierung zu verbessern.
(3) Puffermittel: Wie die chemische Beschichtungslösung kann das Puffermittel die relative Stabilität der Beschichtungslösung und des pH-Werts der Kathode aufrechterhalten, sodass dieser innerhalb des zulässigen Bereichs des Galvanisierungsprozesses schwanken kann. Gängige Puffermittel sind Borsäure, Essigsäure, Natriumbicarbonat usw.
(4) Andere Zusatzstoffe: Je nach den Anforderungen der Beschichtung fügen Sie eine angemessene Menge an Glanzmittel, Verlaufsmittel, Netzmittel und sonstigen Mitteln sowie anderen Zusatzstoffen hinzu, um die Qualität der Beschichtung zu verbessern.
02 Diamant-galvanisierter Nickelfluss
1. Vorbehandlung vor dem Plattieren: Diamant ist oft nicht leitfähig und muss durch weitere Beschichtungsverfahren mit einer Metallschicht überzogen werden. Chemische Beschichtungsverfahren werden häufig verwendet, um eine Metallschicht vorzuplattieren und zu verdicken, sodass die Qualität der chemischen Beschichtung die Qualität der Plattierungsschicht in gewissem Maße beeinflusst. Generell hat der Phosphorgehalt der Beschichtung nach dem chemischen Plattieren großen Einfluss auf die Qualität der Beschichtung. Eine Beschichtung mit hohem Phosphorgehalt weist eine vergleichsweise bessere Korrosionsbeständigkeit in saurer Umgebung auf, die Beschichtungsoberfläche weist mehr Wölbungen und eine größere Oberflächenrauheit auf und ist nicht magnetisch; eine Beschichtung mit mittlerem Phosphorgehalt ist sowohl korrosionsbeständig als auch verschleißfest; eine Beschichtung mit niedrigem Phosphorgehalt weist eine vergleichsweise bessere Leitfähigkeit auf.
Darüber hinaus ist die spezifische Oberfläche umso größer, je kleiner die Partikelgröße des Diamantpulvers ist. Beim Beschichten schwimmt es leicht in der Beschichtungslösung, was zu Leckagen, Beschichtungsverlust und dem Phänomen der Schichtablösung führt. Vor dem Beschichten müssen der P-Gehalt und die Beschichtungsqualität kontrolliert werden, um die Leitfähigkeit und Dichte des Diamantpulvers zu kontrollieren und so das Schweben des Pulvers zu verbessern.
2. Vernickeln: Diamantpulverbeschichtungen werden heute häufig im Rollverfahren hergestellt. Dabei wird eine bestimmte Menge Galvanisierlösung in die Abfüllung gegeben, eine bestimmte Menge Kunstdiamantpulver wird in die Galvanisierlösung gegeben und durch die Rotation der Abfüllung in Bewegung versetzt. Dabei wird die positive Elektrode mit dem Nickelblock und die negative Elektrode mit dem Kunstdiamantpulver verbunden. Unter Einwirkung des elektrischen Feldes bilden die in der Galvanisierlösung freien Nickelionen metallisches Nickel auf der Oberfläche des Kunstdiamantpulvers. Dieses Verfahren weist jedoch die Nachteile einer geringen Beschichtungseffizienz und einer ungleichmäßigen Beschichtung auf, weshalb das Rotationselektrodenverfahren entwickelt wurde.
Bei der Rotationselektrodenmethode wird die Kathode bei der Diamantpulverbeschichtung rotiert. Dadurch kann die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Diamantpartikeln vergrößert, die gleichmäßige Leitfähigkeit zwischen den Partikeln erhöht, das ungleichmäßige Phänomen der Beschichtung verbessert und die Produktionseffizienz der Diamant-Nickel-Beschichtung verbessert werden.
kurze Zusammenfassung
Als Hauptrohstoff für Diamantwerkzeuge ist die Oberflächenmodifizierung von Diamantmikropulver ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Matrixkontrollkraft und zur Verlängerung der Lebensdauer der Werkzeuge. Um die Sandbeladungsrate von Diamantwerkzeugen zu verbessern, kann üblicherweise eine Schicht aus Nickel und Phosphor auf die Oberfläche von Diamantmikropulver aufgebracht werden, um eine gewisse Leitfähigkeit zu erreichen. Anschließend kann die Beschichtungsschicht durch Vernickeln verstärkt werden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Es ist jedoch zu beachten, dass die Diamantoberfläche selbst kein katalytisch aktives Zentrum besitzt und daher vor der chemischen Beschichtung vorbehandelt werden muss.
Referenzdokumentation:
Liu Han. Studie zur Oberflächenbeschichtungstechnologie und Qualität von künstlichem Diamantmikropulver [D]. Zhongyuan Institut für Technologie.
Yang Biao, Yang Jun und Yuan Guangsheng. Studie zum Vorbehandlungsprozess der Diamantoberflächenbeschichtung [J]. Raumstandardisierung.
Li Jinghua. Forschung zur Oberflächenmodifizierung und Anwendung von künstlichem Diamant-Mikropulver für Drahtsägen [D]. Zhongyuan Institut für Technologie.
Fang Lili, Zheng Lian, Wu Yanfei, et al. Chemisches Vernickeln von künstlichen Diamantoberflächen [J].
Dieser Artikel wird im Superhard Material Network nachgedruckt
Veröffentlichungszeit: 13. März 2025
