Раствор для электрохимического осаждения композиционного покрытия на корпусные алмазные режущие диски

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РАСТВОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА КОРПУСНЫЕ АЛМАЗНЫЕ РЕЖУЩИЕ ДИСКИ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-СО(72) Авторы Васильев Валерий Лукич Гаевская Татьяна Васильевна Гайдук Илья Леонидович Ковальчук Геннадий Филиппович Цыбульская Людмила Сергеевна(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-СО(57) Раствор для электрохимического осаждения композиционного покрытия на корпусные алмазные режущие диски, содержащий никель сернокислый семиводный, никель хлористый шестиводный, борную кислоту, алмаз и воду, отличающийся тем, что содержит алмаз дисперсностью 0,5-40,0 мкм и дополнительно содержит сахарин, метилцеллюлозу и ультрадисперсный алмаз дисперсностью 4-10 нм при следующем соотношении компонентов, г/л никель сернокислый семиводный 200-400 никель хлористый шестиводный 15-80 борная кислота 25-40 алмаз дисперсностью 0,5-40,0 мкм 20-40 сахарин 0,5-2,0 метилцеллюлоза 0,1-0,2 ультрадисперсный алмаз дисперсностью 4-10 нм 0,1-0,3 вода до 1 л. Изобретение относится к области гальванотехники, в частности к электрохимическому осаждению композиционного покрытия на основе никеля, содержащего дисперсные частицы алмаза и ультрадисперсного алмаза (УДА), и может быть использовано для получения сверхтонких алмазсодержащих дисков для разделения подложек из полупроводниковых, сверхтвердых и керамических материалов в изделиях радиоэлектроники и приборостроения. 12815 1 2010.02.28 Известен электролит для получения композиционных электролитических покрытий(далее КЭП), содержащий (г/л) никель хлористый шестиводный (или железо хлористое,или кобальт хлористый) - 300, борную кислоту - 40, аморфный бор - 10-40, ультрадисперсный углеродистый конденсат - 2-140, вода - остальное 1. Ультрадисперсный углеродистый конденсат имеет следующий состав (мас .) карбин - 2-5, графит - 1-15, некристаллический углерод - 3-50, алмаз - остальное. Недостатками известного состава являются низкое алмазоудержание, обусловленное агломерированием ультрадисперсного углеродного конденсата, а также невысокая твердость и износостойкость покрытия. Наиболее близким к предлагаемому составу для получения композиционных электролитических покрытий является следующий состав (г/л) никель сернокислый семиводный 350, никель хлористый шестиводный - 20, борная кислота - 20, порошок алмазный дисперсностью 14-50 мкм - 5 и вода - остальное 2. Недостатком данного состава является то, что образующееся из него КЭП имеет невысокое содержание дисперсных частиц алмаза и низкую твердость. Невысокое содержание частиц алмаза в КЭП обусловлено тем, что значительная часть алмазных частиц не внедряется в никелевое покрытие при его электрокристаллизации, а выталкивается с поверхности растущими плоскими зернами никеля. Режущие диски с таким КЭП имеют невысокую производительность и достаточно низкое качество реза. Задачей изобретения является создание раствора, обеспечивающего получение КЭП с повышенной твердостью, износостойкостью и более низким коэффициентом трения, а также с повышенной объемной долей алмаза в покрытии и его поверхностном слое. Решение этой задачи позволит повысить производительность режущих дисков, улучшить качество разделения полупроводниковых и керамических материалов, снизить количество брака при разделении подложек из СТМ. Поставленная задача достигается тем, что раствор, содержащий никель сернокислый семиводный, никель хлористый шестиводный, борную кислоту, алмаз и воду, содержит алмаз дисперсностью 0,5-40,0 мкм и дополнительно содержит сахарин, метилцеллюлозу и ультрадисперсный алмаз дисперсностью 4-10 нм при следующем соотношении компонентов, г/л никель сернокислый семиводный 200-400 никель хлористый шестиводный 15-80 борная кислота 25-40 алмаз дисперсностью 0,5-40,0 мкм 20-40 сахарин 0,5-2 ультрадисперсный алмаз дисперсностью 4-10 нм 0,1-0,3 метилцеллюлоза 0,1-0,2 вода до 1 л. Введение метилцеллюлозы в концентрации 0,1-0,2 г/л необходимо для перезарядки частиц алмаза дисперсностью 0,5-40 мкм, гидрофобизации их поверхности для исключения конгломерации частиц алмаза между собой и последующего их равномерного включения в покрытие при электрокристаллизации никеля. Существенным для алмазо-гальванических режущих дисков является повышение адгезии никеля к основе и алмазному зерну, что также обеспечивает метилцеллюлоза. Совместное введение в электролит никелирования сахарина 0,5-2 г/л и ультрадисперсного алмаза (УДА) в концентрации 0,1-0,3 г/л позволяет увеличить пластичность покрытия, снизить внутренние напряжения растяжения от 670 до 350-400 МПа, упрочнить никелевую матрицу, повысить твердость, износостойкость и понизить коэффициент трения КЭП. 12815 1 2010.02.28 Увеличение концентрации никеля сернокислого (472) более 400 г/л приводит к дестабилизации процесса электрокристаллизации КЭП, осаждению кристаллов соли никеля на корпусе режущего диска. Увеличение концентрации никеля хлористого (262) более 80 г/л способствует повышению скорости растворения анодов, снижает буферную емкость прикатодного слоя и ухудшает прочность сцепления КЭП с корпусом. Уменьшение концентрации никеля хлористого менее 15 г/л и никеля сернокислого менее 200 г дестабилизирует режим электрокристаллизации, результатом чего является снижение твердости КЭП,из-за включений основных солей никеля, а также увеличение внутренних напряжений. Уменьшение концентрации алмазного порошка дисперсностью 0,5-40 мкм в электролитесуспензии менее 20 г/л снижает эксплуатационные характеристики КЭП, а повышение его концентрации более 40 г/л приводит к формированию пористого, с низкой прочностью КЭП. Борная кислота (Н 3 ВО 3) стабилизирует рН электролита, при повышении ее концентрации более 40 г/л она выделяется на технологической оснастке и в объеме электролита,ухудшая качество КЭП. При концентрации борной кислоты менее 25 г/л снижаются буферная емкость электролита, прочность сцепления, твердость КЭП из-за включения основных солей никеля в покрытие. Примеры конкретного выполнения. Предлагаемые электролиты готовят следующим образом. Расчетное количество солей никеля растворяют в горячей (50-60 С) дистиллированной воде и фильтруют в емкость для приготовления раствора. Навеску борной кислоты и сахарина растворяют в кипящей дистиллированной воде и добавляют в емкость с солями никеля. Навеску алмаза дисперсностью 0,5-40 мкм смешивают с 50 мл 5 раствора метилцеллюлозы и выдерживают полученную взвесь в течение 30-60 минут до полного смачивания поверхности алмаза. В последнюю очередь в электролит никелирования вводят суспензию алмаза дисперсностью 0,5-40 мкм и ультрадисперсного алмаза дисперсностью 4-10 нм. Тщательно перемешивают раствор. Затем осуществляют контроль рН с помощью универсального иономера. Если рН 4,5, электролит корректируют 5 раствором серной кислоты, если рН 4,0-1-2 раствором гидроксида натрия. Пределы концентраций солей никеля и борной кислоты, а также их соотношения позволяют уменьшить концентрационные ограничения повысить рассеивающую способность электролита и предельно допустимые токи изменять скорость осаждения от 0,6 до 1,0 мкм/мин получать покрытия толщиной от 20 до 200 мкм в зависимости от размеров используемого алмазного зерна и назначения режущего инструмента. Осаждение КЭП (никель-алмаз-УДА) осуществляли на поверхность алюминиевого корпуса (Д 16) режущего диска. Оптимальными режимами осаждения являлись температура электролита 40-50 С, катодная плотность тока 2,0-3,0 А/дм 2, рН раствора 4,0-4,5, вращение заготовки режущего диска со скоростью 10-20 об/мин, перемешивание раствора сжатым воздухом при Р 0,15-0,25 МПа. Предварительная подготовка поверхности алюминия и его сплавов включает химическое обезжиривание, щелочное травление и осветление поверхности с промежуточными операциями промывки в проточной и дистиллированной воде. Данные по составу электролитов, условиям электролиза для известных и предлагаемых нами составов растворов приведены в табл. 1, по свойствам получаемых КЭП - в табл. 2. Скорость осаждения оценивали гравиметрическим методом по ГОСТ 9.302-88. Микротвердость по Виккерсу определяли при нагрузке на индентор 1 Н с выдержкой в течение 10 секунд с помощью прибора ПМТ-3 (ИСО 4516-80). Измерение интенсивности весового изнашивания и определение коэффициента трения осуществляли с помощью автоматизированного трибометра АТВП. Поверхностную концентрацию алмаза оценивали с использованием метода сканирующей электронной микроскопии, объемную долю алмаза после сжигания покрытия в токе кислорода с плавнем 25, количественно определяя выделившийся углекислый газ кулонометрическим методом. 3 12815 1 2010.02.28 Таблица 1 Компоненты электролита,режимы электролиза Никель сернокислый семиводный Никель хлористый шестиводный Борная кислота Алмазный порошок Аморфный бор Ультрадисперсный углеродистый материал Сахарин Ультрадисперсный алмаз Метилцеллюлоза Вода рН Температура, С Плотность тока, А/дм 2 Скорость осаждения, мкм/мин(толщина покрытия 20-200 мкм) Поверхностная концентрация алмазного порошка в покрытии,Объемная доля алмаза в покрытии,Микротвердость, МПа Интенсивность весового изнашивания, мг/м Коэффициент трения, от. ед. Известные аналог прототип 20-40 3500-4000 0,4-0,5 Как видно из приведенных данных, техническое решение по изобретению обеспечивает получение композиционного электрохимического покрытия (толщина 20-200 мкм) с более высоким объемным и поверхностным содержанием алмаза. Полученные КЭП характеризуются более высокими значениями микротвердости и износостойкости, более низким коэффициентом трения, обеспечивая таким образом более качественное разделение подложек из полупроводниковых, сверхтвердых и керамических материалов в изделиях радиоэлектроники и приборостроения. Источники информации 1. Патент РФ 2026892, МПК 25 15/00, 1990. 2. Цисарь И.А., Знаменский Г.Н., Ющенко Т.И., Пачес Л.В. Алмазосодержащие, износостойкие и абразивные покрытия // Гальванотехника и обработка поверхности. - 1996. Т. . -1. - С. 23-25. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4