제조업이 첨단 산업으로 전환됨에 따라 청정에너지, 반도체 및 태양광 산업이 급속도로 발전하면서 고효율 및 고정밀 가공 능력을 요구하는 다이아몬드 공구에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 그러나 가장 중요한 원료인 인공 다이아몬드 분말은 다이아몬드와 기지 사이의 결합력이 약하여 공구 수명이 단축되는 문제가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 업계에서는 일반적으로 다이아몬드 분말 표면에 금속 재료를 코팅하여 표면 특성을 개선하고 내구성을 향상시켜 공구의 전반적인 품질을 높이고 있습니다.
다이아몬드 분말 표면 코팅 방법에는 화학 도금, 전기 도금, 마그네트론 스퍼터링 도금, 진공 증착 도금, 열 폭발 반응 등 다양한 방식이 있으며, 특히 화학 도금과 전기 도금은 공정이 성숙되어 균일한 코팅이 가능하고 코팅 조성 및 두께를 정밀하게 제어할 수 있으며 맞춤형 코팅이 가능하다는 장점이 있어 업계에서 가장 널리 사용되는 두 가지 기술입니다.
1. 화학 도금
다이아몬드 분말 화학 도금은 처리된 다이아몬드 분말을 화학 도금 용액에 넣고, 용액 내 환원제의 작용으로 금속 이온을 도금 용액에 침착시켜 치밀한 금속 도금층을 형성하는 공정입니다. 현재 가장 널리 사용되는 다이아몬드 화학 도금은 니켈-인(Ni-P) 이원 합금 도금이며, 이를 일반적으로 니켈 도금이라고 부릅니다.
01 화학 니켈 도금 용액의 조성
화학 도금 용액의 조성은 화학 반응의 원활한 진행, 안정성 및 도금 품질에 결정적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 주염, 환원제, 착화제, 완충제, 안정제, 촉진제, 계면활성제 등의 성분으로 구성되며, 최적의 도금 효과를 얻기 위해서는 각 성분의 비율을 신중하게 조절해야 합니다.
1. 주요 염: 일반적으로 황산니켈, 염화니켈, 니켈 아미노술폰산, 탄산니켈 등이 있으며, 주된 역할은 니켈 공급원 역할을 하는 것입니다.
2. 환원제: 환원제는 주로 수소 원자를 공급하여 도금 용액 내의 Ni²⁺ 이온을 Ni로 환원시키고 다이아몬드 입자 표면에 석출시키는 역할을 하며, 도금 용액에서 가장 중요한 구성 요소입니다. 산업계에서는 환원력이 강하고 가격이 저렴하며 도금 안정성이 우수한 이차인산나트륨이 주로 환원제로 사용됩니다. 이 환원 시스템을 통해 저온 및 고온에서 화학 도금을 구현할 수 있습니다.
3. 복합제: 코팅 용액의 침전을 유도하고, 코팅 용액의 안정성을 향상시키며, 도금 용액의 수명을 연장하고, 니켈 증착 속도를 개선하고, 코팅층의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 숙신산, 구연산, 젖산 등의 유기산 및 이들의 염을 사용합니다.
4. 기타 구성 요소: 안정제는 도금 용액의 분해를 억제할 수 있지만, 화학 도금 반응에 영향을 미치므로 적절한 사용이 필요합니다. 완충제는 니켈 화학 도금 반응 중에 H+를 생성하여 pH의 지속적인 안정성을 보장합니다. 계면활성제는 코팅의 다공성을 감소시킵니다.
02 화학적 니켈 도금 공정
인산나트륨 도금법을 이용한 화학 도금은 기판이 특정 촉매 활성을 가져야 하는데, 다이아몬드 표면 자체에는 촉매 활성 중심이 없으므로 다이아몬드 분말의 화학 도금 전에 전처리가 필요합니다. 전통적인 화학 도금 전처리 방법으로는 오일 제거, 조대화, 감광 및 활성화가 있습니다.
(1) 오일 제거, 조대화: 오일 제거는 주로 다이아몬드 분말 표면의 오일, 얼룩 및 기타 유기 오염 물질을 제거하여 후속 코팅의 밀착성과 우수한 성능을 보장하기 위한 것입니다. 조대화는 다이아몬드 표면에 작은 구멍과 균열을 형성하여 다이아몬드의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있습니다. 이는 해당 위치에 금속 이온의 흡착을 촉진하고 후속 화학 도금 및 전기 도금을 용이하게 할 뿐만 아니라 다이아몬드 표면에 계단을 형성하여 화학 도금 또는 전기 도금 금속 증착층의 성장에 유리한 조건을 제공합니다.
일반적으로 오일 제거 단계에서는 수산화나트륨(NaOH) 등의 알칼리 용액을 사용하고, 입자 조대화 단계에서는 질산 등의 산성 용액을 사용하여 다이아몬드 표면을 에칭합니다. 또한, 이 두 단계에 초음파 세척기를 함께 사용하면 다이아몬드 분말의 오일 제거 및 입자 조대화 효율을 향상시키고, 공정 시간을 단축하며, 오일 제거 및 입자 조대화 효과를 극대화할 수 있습니다.
(2) 감광 및 활성화: 감광 및 활성화 공정은 전체 화학 도금 공정에서 가장 중요한 단계이며, 화학 도금의 성공 여부와 직접적인 관련이 있습니다. 감광은 자가 촉매 능력이 없는 다이아몬드 분말 표면에 쉽게 산화되는 물질을 흡착시키는 것입니다. 활성화는 환원된 니켈 입자에 차아인산의 산화제와 촉매 활성 금속 이온(예: 팔라듐)을 흡착시켜 다이아몬드 분말 표면의 코팅 증착 속도를 가속화하는 것입니다.
일반적으로 감광 및 활성화 처리 시간이 너무 짧으면 다이아몬드 표면의 금속 팔라듐점 형성이 적고 코팅 흡착이 불충분하여 코팅층이 쉽게 벗겨지거나 완전한 코팅 형성이 어렵고, 처리 시간이 너무 길면 팔라듐점이 낭비됩니다. 따라서 감광 및 활성화 처리의 최적 시간은 20~30분입니다.
(3) 화학 니켈 도금: 화학 니켈 도금 공정은 도금 용액의 조성뿐만 아니라 도금 용액의 온도와 pH 값에도 영향을 받습니다. 전통적인 고온 화학 니켈 도금은 일반적으로 80~85℃의 온도에서 진행되며, 85℃ 이상에서는 도금 용액의 분해가 쉽게 발생하고, 85℃ 미만에서는 반응 속도가 빨라집니다. pH 값의 경우, pH가 증가함에 따라 도금 증착 속도는 증가하지만, 니켈 염 침전물 형성을 유발하여 화학 반응 속도를 저해하기도 합니다. 따라서 화학 니켈 도금 공정에서는 도금 용액의 조성 및 비율, 도금 공정 조건을 최적화하여 도금 증착 속도, 도금 밀도, 도금 내식성, 도금 밀도 방법, 도금 다이아몬드 분말 등을 제어함으로써 산업 발전의 요구를 충족합니다.
또한, 단일 코팅으로는 이상적인 코팅 두께를 얻지 못할 수 있고, 기포, 미세 구멍 등의 결함이 발생할 수 있으므로, 다중 코팅을 통해 코팅 품질을 향상시키고 코팅된 다이아몬드 분말의 분산성을 높일 수 있습니다.
2. 전기 니켈 도금
다이아몬드 화학 니켈 도금 후 코팅층에 인이 존재하면 전기 전도성이 저하되어 다이아몬드 공구의 모래 장전 공정(다이아몬드 입자를 기지 표면에 고정하는 공정)에 영향을 미칩니다. 따라서 인이 제거된 도금층을 니켈 도금 방식으로 사용할 수 있습니다. 구체적인 방법은 다이아몬드 분말을 니켈 이온을 함유한 코팅 용액에 넣고, 다이아몬드 입자가 전원 음극에 접촉하여 음극이 되도록 합니다. 니켈 금속 블록을 도금 용액에 담그고 전원 양극에 연결하여 양극으로 만듭니다. 전기분해 작용을 통해 코팅 용액 내의 자유 니켈 이온이 다이아몬드 표면에서 원자로 환원되고, 이 원자들이 코팅층으로 성장합니다.
01 도금 용액의 조성
화학 도금 용액과 마찬가지로 전기 도금 용액은 주로 전기 도금 공정에 필요한 금속 이온을 공급하고 니켈 증착 공정을 제어하여 원하는 금속 코팅을 얻는 역할을 합니다. 주요 구성 성분으로는 주염, 양극 활성제, 완충제, 첨가제 등이 있습니다.
(1) 주염: 주로 황산니켈, 아미노술폰산니켈 등을 사용합니다. 일반적으로 주염 농도가 높을수록 도금 용액 내 확산 속도가 빨라지고 전류 효율과 금속 증착 속도가 높아지지만 코팅 입자가 거칠어지고 주염 농도가 낮아지면 코팅의 전도성이 떨어지고 제어가 어려워집니다.
(2) 양극 활성제: 양극은 쉽게 비활성화되고 전도성이 떨어지며 전류 분포의 균일성에 영향을 미치기 때문에 양극 활성화를 촉진하고 양극 비활성화의 전류 밀도를 개선하기 위해 염화니켈, 염화나트륨 등의 양극 활성제를 첨가해야 합니다.
(3) 완충제: 화학 도금 용액과 마찬가지로 완충제는 도금 용액과 음극 pH의 상대적 안정성을 유지하여 전기 도금 공정의 허용 범위 내에서 변동할 수 있도록 합니다. 일반적인 완충제로는 붕산, 아세트산, 탄산수소나트륨 등이 있습니다.
(4) 기타 첨가제: 코팅의 요구 사항에 따라 광택제, 평활제, 습윤제 및 잡다한 첨가제 등을 적절한 양으로 첨가하여 코팅의 품질을 향상시킵니다.
02 다이아몬드 전기 도금 니켈 흐름
1. 도금 전 전처리: 다이아몬드는 일반적으로 전도성이 없으므로 다른 코팅 공정을 통해 금속층으로 도금해야 합니다. 화학 도금법은 금속층을 미리 도금하고 두께를 늘리는 데 자주 사용되므로 화학 도금의 품질이 도금층의 품질에 어느 정도 영향을 미칩니다. 일반적으로 화학 도금 후 코팅 내 인 함량은 코팅 품질에 큰 영향을 미칩니다. 인 함량이 높은 코팅은 산성 환경에서 내식성이 비교적 우수하지만 코팅 표면에 돌출부가 많고 표면 거칠기가 크며 자성이 없습니다. 인 함량이 중간인 코팅은 내식성과 내마모성이 모두 우수하며, 인 함량이 낮은 코팅은 전도성이 비교적 우수합니다.
또한, 다이아몬드 분말의 입자 크기가 작을수록 비표면적이 커져 도금 시 도금 용액에 쉽게 떠오르며, 누출, 도금 박리 등의 현상이 발생할 수 있습니다. 따라서 도금 전에는 인 함량과 도금 품질을 관리하고, 다이아몬드 분말의 전도성과 밀도를 조절하여 분말의 부유 현상을 개선해야 합니다.
2. 니켈 도금: 현재 다이아몬드 분말 도금에는 주로 롤링 코팅 방식이 사용됩니다. 즉, 적정량의 도금 용액을 용기에 넣고, 일정량의 인공 다이아몬드 분말을 도금 용액에 넣은 후, 용기를 회전시켜 다이아몬드 분말을 롤링시키는 방식입니다. 이때 양극은 니켈 블록에, 음극은 인공 다이아몬드 분말에 연결됩니다. 전기장의 작용으로 도금 용액 내의 자유 니켈 이온이 인공 다이아몬드 분말 표면에 니켈 금속을 형성합니다. 그러나 이 방식은 도금 효율이 낮고 도금이 고르지 않다는 단점이 있어 회전 전극 방식이 개발되었습니다.
회전 전극법은 다이아몬드 분말 도금에서 음극을 회전시키는 방법입니다. 이 방법을 통해 전극과 다이아몬드 입자 사이의 접촉 면적이 증가하고, 입자 간 균일한 전도성이 향상되며, 도금의 불균일 현상이 개선되어 다이아몬드 니켈 도금의 생산 효율이 향상됩니다.
간략한 요약
다이아몬드 공구의 주원료인 다이아몬드 미세분말의 표면 개질은 매트릭스 제어력을 향상시키고 공구의 수명을 연장하는 중요한 수단입니다. 다이아몬드 공구의 모래 흡착률을 높이기 위해 일반적으로 다이아몬드 미세분말 표면에 니켈과 인 층을 도금하여 일정 수준의 전도성을 부여하고, 이어서 니켈 도금을 통해 도금층을 두껍게 하여 전도성을 더욱 향상시킵니다. 그러나 다이아몬드 표면 자체에는 촉매 활성 중심이 없으므로 화학 도금 전에 전처리가 필요하다는 점에 유의해야 합니다.
참고 문서:
Liu Han. 인공 다이아몬드 미세 분말의 표면 코팅 기술 및 품질에 관한 연구 [D]. 중원공업대학.
양표, 양준, 원광성. 다이아몬드 표면 코팅의 전처리 공정에 관한 연구 [J]. 공간 공간 표준화.
리징화. 와이어쏘에 사용되는 인공 다이아몬드 미세 분말의 표면 개질 및 응용에 관한 연구 [D]. 중원공업대학.
Fang Lili, Zheng Lian, Wu Yanfei 등. 인공 다이아몬드 표면의 화학적 니켈 도금 공정 [J]. IOL 저널.
게시 시간: 2025년 3월 13일
