Con la transformación hacia la alta tecnología en la fabricación, el rápido desarrollo de la energía limpia y el desarrollo de la industria de semiconductores y fotovoltaica, la creciente demanda de herramientas de diamante con alta eficiencia y precisión de procesamiento es cada vez mayor. Sin embargo, dado que el polvo de diamante artificial es la materia prima más importante, la fuerza de sujeción entre el diamante y la matriz es débil, lo que provoca que la vida útil de las herramientas de carburo sea corta. Para solucionar estos problemas, la industria suele aplicar un recubrimiento superficial de polvo de diamante con materiales metálicos para mejorar sus características superficiales, aumentar su durabilidad y, por ende, mejorar la calidad general de la herramienta.
El método de recubrimiento de superficie con polvo de diamante es muy variado e incluye el recubrimiento químico, la galvanoplastia, la pulverización catódica por magnetrón, la evaporación al vacío, la reacción de explosión en caliente, etc. El recubrimiento químico y el recubrimiento con procesos maduros ofrecen un recubrimiento uniforme, permiten controlar con precisión la composición y el espesor del recubrimiento, y ofrecen las ventajas de un recubrimiento personalizado, convirtiéndose en una de las dos tecnologías más utilizadas en la industria.
1. Recubrimiento químico
El recubrimiento químico con polvo de diamante consiste en introducir el polvo de diamante tratado en una solución de recubrimiento químico, donde los iones metálicos se depositan mediante la acción del agente reductor, formando así un recubrimiento metálico denso. Actualmente, el recubrimiento químico con diamante más utilizado es el niquelado químico, una aleación binaria de níquel-fósforo (Ni-P).
01 Composición de la solución de niquelado químico
La composición de la solución de recubrimiento químico influye decisivamente en el buen desarrollo, la estabilidad y la calidad del recubrimiento resultante de la reacción química. Generalmente contiene sal principal, agente reductor, agente complejante, tampón, estabilizador, acelerador, tensioactivo y otros componentes. La proporción de cada componente debe ajustarse cuidadosamente para lograr el mejor resultado de recubrimiento.
1. Sal principal: generalmente sulfato de níquel, cloruro de níquel, ácido aminosulfónico de níquel, carbonato de níquel, etc., su función principal es proporcionar una fuente de níquel.
2. Agente reductor: proporciona principalmente hidrógeno atómico, reduce el Ni²⁺ de la solución de recubrimiento a Ni y lo deposita en la superficie de las partículas de diamante, siendo este el componente más importante de la solución. En la industria, se utiliza principalmente fosfato secundario de sodio, que posee una gran capacidad reductora, bajo costo y buena estabilidad de recubrimiento. El sistema de reducción permite realizar el recubrimiento químico tanto a baja como a alta temperatura.
3. Agente complejo: la solución de recubrimiento puede precipitar, mejorar la estabilidad de la solución de recubrimiento, extender la vida útil de la solución de galvanoplastia, mejorar la velocidad de deposición del níquel, mejorar la calidad de la capa de recubrimiento, generalmente se utilizan ácido succinínico, ácido cítrico, ácido láctico y otros ácidos orgánicos y sus sales.
4. Otros componentes: el estabilizador puede inhibir la descomposición de la solución de recubrimiento, pero debido a que afectará la ocurrencia de la reacción química de recubrimiento, se necesita un uso moderado; el tampón puede producir H+ durante la reacción química de recubrimiento de níquel para asegurar la estabilidad continua del pH; el surfactante puede reducir la porosidad del recubrimiento.
02 El proceso de niquelado químico
El recubrimiento químico con hipofosfato de sodio requiere que la matriz posea cierta actividad catalítica, y la superficie del diamante en sí misma no tiene centros de actividad catalítica, por lo que necesita un pretratamiento antes del recubrimiento químico del polvo de diamante. El método de pretratamiento tradicional para el recubrimiento químico consiste en la eliminación de aceite, el engrosamiento, la sensibilización y la activación.
(1) Eliminación de aceite y granulación: La eliminación de aceite consiste principalmente en eliminar el aceite, las manchas y otros contaminantes orgánicos de la superficie del polvo de diamante, para garantizar un ajuste preciso y un buen rendimiento del recubrimiento posterior. La granulación puede formar pequeñas cavidades y grietas en la superficie del diamante, aumentando su rugosidad. Esto no solo favorece la adsorción de iones metálicos en esta zona, facilitando el posterior recubrimiento químico y electrolítico, sino que también crea escalones en la superficie del diamante, proporcionando condiciones favorables para el crecimiento de la capa de deposición metálica mediante recubrimiento químico o electrolítico.
Por lo general, la etapa de eliminación de aceite suele emplear NaOH y otras soluciones alcalinas, y para la etapa de granulación, se utiliza ácido nítrico y otras soluciones ácidas como solución química bruta para grabar la superficie del diamante. Además, estos dos pasos deben realizarse con una máquina de limpieza ultrasónica, lo que contribuye a mejorar la eficiencia de la eliminación de aceite y la granulación del polvo de diamante, ahorra tiempo en el proceso y garantiza la eficacia de la eliminación de aceite y la granulación.
(2) Sensibilización y activación: El proceso de sensibilización y activación es el paso más crítico en todo el proceso de recubrimiento químico, ya que está directamente relacionado con la posibilidad de realizar dicho recubrimiento. La sensibilización consiste en adsorber sustancias fácilmente oxidables en la superficie del polvo de diamante, que carece de capacidad autocatalítica. La activación consiste en adsorber la oxidación del ácido hipofosfórico y de iones metálicos catalíticamente activos (como el paladio) en la reducción de partículas de níquel, para así acelerar la velocidad de deposición del recubrimiento en la superficie del polvo de diamante.
En términos generales, si el tiempo de tratamiento de sensibilización y activación es demasiado corto, la formación de puntos de paladio en la superficie del diamante es menor, la adsorción del recubrimiento es insuficiente, la capa de recubrimiento se desprende fácilmente o es difícil formar un recubrimiento completo, y si el tiempo de tratamiento es demasiado largo, se producirá un desperdicio de puntos de paladio. Por lo tanto, el tiempo óptimo para el tratamiento de sensibilización y activación es de 20 a 30 minutos.
(3) Niquelado químico: el proceso de niquelado químico no solo se ve afectado por la composición de la solución de recubrimiento, sino también por la temperatura y el valor de pH de la solución de recubrimiento. El niquelado químico tradicional a alta temperatura, la temperatura general será de 80~85℃, por encima de 85℃ es fácil causar la descomposición de la solución de recubrimiento, y a temperaturas inferiores a 85℃, la velocidad de reacción es más rápida. En cuanto al valor de pH, a medida que aumenta el pH, aumenta la velocidad de deposición del recubrimiento, pero el pH también causa la formación de sedimentos de sales de níquel que inhiben la velocidad de reacción química, por lo que en el proceso de niquelado químico se optimiza la composición y proporción de la solución de recubrimiento químico, las condiciones del proceso de recubrimiento químico, controlando la velocidad de deposición del recubrimiento químico, la densidad del recubrimiento, la resistencia a la corrosión del recubrimiento, el método de densidad de recubrimiento, el recubrimiento de polvo de diamante para satisfacer la demanda del desarrollo industrial.
Además, una sola capa puede no alcanzar el espesor ideal y pueden aparecer burbujas, poros y otros defectos, por lo que se pueden aplicar varias capas para mejorar la calidad del recubrimiento y aumentar la dispersión del polvo de diamante recubierto.
2. Electroniquelado
Debido a la presencia de fósforo en la capa de recubrimiento tras el niquelado químico del diamante, se produce una baja conductividad eléctrica, lo que afecta al proceso de carga de arena de la herramienta de diamante (el proceso de fijación de las partículas de diamante en la superficie de la matriz). Por lo tanto, se puede utilizar una capa de recubrimiento sin fósforo para el niquelado. El procedimiento específico consiste en introducir el polvo de diamante en la solución de recubrimiento que contiene iones de níquel. Las partículas de diamante entran en contacto con el electrodo negativo de la fuente de alimentación, formando el cátodo. Un bloque de níquel metálico sumergido en la solución de recubrimiento y conectado al electrodo positivo de la fuente de alimentación actúa como ánodo. Mediante la acción electrolítica, los iones de níquel libres en la solución de recubrimiento se reducen a átomos en la superficie del diamante, y estos átomos crecen formando el recubrimiento.
01 Composición de la solución de recubrimiento
Al igual que la solución de recubrimiento químico, la solución de galvanoplastia proporciona principalmente los iones metálicos necesarios para el proceso de galvanoplastia y controla la deposición de níquel para obtener el recubrimiento metálico deseado. Sus componentes principales incluyen la sal principal, el agente activo del ánodo, el agente tampón, aditivos, entre otros.
(1) Sal principal: se utiliza principalmente sulfato de níquel, aminosulfonato de níquel, etc. Generalmente, cuanto mayor sea la concentración de la sal principal, más rápida será la difusión en la solución de recubrimiento, mayor será la eficiencia de corriente y la tasa de deposición de metal, pero los granos del recubrimiento se volverán gruesos, y a menor concentración de la sal principal, peor será la conductividad del recubrimiento y será difícil de controlar.
(2) Agente activo del ánodo: debido a que el ánodo es fácil de pasivar, fácil de tener una conductividad deficiente, lo que afecta la uniformidad de la distribución de corriente, por lo que es necesario agregar cloruro de níquel, cloruro de sodio y otros agentes como activador anódico para promover la activación del ánodo, mejorar la densidad de corriente de la pasivación del ánodo.
(3) Agente tampón: al igual que la solución de recubrimiento químico, el agente tampón mantiene la estabilidad relativa de la solución de recubrimiento y del pH del cátodo, permitiendo que fluctúe dentro del rango admisible del proceso de electrodeposición. Algunos agentes tampón comunes son el ácido bórico, el ácido acético, el bicarbonato de sodio, entre otros.
(4) Otros aditivos: según los requisitos del recubrimiento, agregue la cantidad adecuada de agente abrillantador, agente nivelador, agente humectante y agente misceláneo y otros aditivos para mejorar la calidad del recubrimiento.
02 Flujo de níquel electrochapado con diamante
1. Pretratamiento antes del recubrimiento: el diamante a menudo no es conductor y necesita ser recubierto con una capa de metal mediante otros procesos de recubrimiento. El método de recubrimiento químico se usa frecuentemente para aplicar una capa de metal y aumentar su espesor, por lo que la calidad del recubrimiento químico afectará la calidad de la capa de recubrimiento en cierta medida. En términos generales, el contenido de fósforo en el recubrimiento después del recubrimiento químico tiene un gran impacto en la calidad del recubrimiento, y el recubrimiento con alto contenido de fósforo tiene una resistencia a la corrosión relativamente mejor en ambientes ácidos, la superficie del recubrimiento tiene más protuberancias tumorales, mayor rugosidad superficial y no tiene propiedades magnéticas; el recubrimiento con fósforo medio tiene resistencia a la corrosión y al desgaste; el recubrimiento con bajo contenido de fósforo tiene una conductividad relativamente mejor.
Además, cuanto menor sea el tamaño de partícula del polvo de diamante, mayor será la superficie específica; al recubrir, es fácil que flote en la solución de galvanoplastia, lo que producirá fugas y un fenómeno de capa suelta durante el recubrimiento. Antes de la galvanoplastia, es necesario controlar el contenido de P y la calidad del recubrimiento, así como controlar la conductividad y la densidad del polvo de diamante para mejorar su flotabilidad.
2. Niquelado: Actualmente, el recubrimiento con polvo de diamante suele emplear el método de recubrimiento por laminación. Se añade la cantidad adecuada de solución de galvanoplastia a la botella, se incorpora una cierta cantidad de polvo de diamante artificial a la solución y, mediante la rotación de la botella, se impulsa el polvo de diamante para que ruede. Al mismo tiempo, el electrodo positivo se conecta al bloque de níquel y el electrodo negativo al polvo de diamante artificial. Bajo la acción del campo eléctrico, los iones de níquel libres en la solución de galvanoplastia forman níquel metálico sobre la superficie del polvo de diamante artificial. Sin embargo, este método presenta problemas de baja eficiencia y recubrimiento irregular, por lo que surgió el método del electrodo rotatorio.
El método del electrodo giratorio consiste en rotar el cátodo durante el recubrimiento con polvo de diamante. De esta forma, se puede aumentar el área de contacto entre el electrodo y las partículas de diamante, incrementar la conductividad uniforme entre las partículas, corregir las irregularidades en el recubrimiento y mejorar la eficiencia de producción del niquelado con diamante.
breve resumen
Como materia prima principal de las herramientas de diamante, la modificación superficial del micropulvo de diamante es un medio importante para mejorar la fuerza de control de la matriz y prolongar la vida útil de las herramientas. Para mejorar la tasa de carga de arena de las herramientas de diamante, se suele aplicar una capa de níquel y fósforo sobre la superficie del micropulvo de diamante para conferirle cierta conductividad, y posteriormente se engrosa la capa de recubrimiento mediante niquelado, lo que aumenta aún más la conductividad. Sin embargo, cabe destacar que la superficie del diamante en sí misma no posee un centro catalítico activo, por lo que requiere un pretratamiento antes del recubrimiento químico.
documentación de referencia:
Liu Han. Estudio sobre la tecnología de recubrimiento superficial y la calidad del micropulvo de diamante artificial [D]. Instituto Tecnológico de Zhongyuan.
Yang Biao, Yang Jun y Yuan Guangsheng. Estudio sobre el proceso de pretratamiento del recubrimiento de superficie de diamante [J]. Estandarización espacial.
Li Jinghua. Investigación sobre la modificación de la superficie y la aplicación de micropartículas de diamante artificial utilizadas en sierras de hilo [D]. Instituto Tecnológico de Zhongyuan.
Fang Lili, Zheng Lian, Wu Yanfei, et al. Proceso de recubrimiento químico de níquel de la superficie del diamante artificial [J]. Revista de LIO.
Este artículo se reproduce en la red de materiales superduros.
Fecha de publicación: 13 de marzo de 2025
