電鍍鎳-鐵金剛石鉆頭配方與工藝研究

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué),武漢430074)

摘要：國(guó)內(nèi)采用鎳-鐵合金作為電鍍金剛石鉆頭的胎體材料仍處于試驗(yàn)研究中。本文詳細(xì)介紹了鎳-鐵合金鍍液的主要成分及其作用,試驗(yàn)分析了電鍍工藝對(duì)鍍層質(zhì)量的影響,采用正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)胎體成分與性能間的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明鎳-鐵合金鍍層是電鍍金剛石鉆頭的較理想的胎體材料。通過(guò)調(diào)整鍍液成分及其含量和改變工藝參數(shù),可以獲得不同硬度與耐磨性的鎳-鐵鍍層,可以滿足電鍍金剛石鉆頭的要求。依據(jù)研究結(jié)果試制了2個(gè)鉆頭,進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)鉆試驗(yàn),在8~9級(jí)正長(zhǎng)花崗巖中鉆進(jìn),平均時(shí)效達(dá)到1. 87 m/h,鉆頭平均壽命達(dá)到45. 9 m,取得了較好的鉆進(jìn)效果。

關(guān)鍵詞：鎳-鐵合金;電鍍;金剛石鉆頭

中圖分類(lèi)號(hào)：TG74;TQ164　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 

DOI編碼：10. 3969/.j issn. 1006-852X. 2011. 01. 004

文章編號(hào): 1006-852X(2011)01-0015-05

0　前言

普通電鍍鎳溶液中鐵是有害雜質(zhì)。但是,試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),電鍍中鎳與鐵并不是不相容的,在一定的工藝條件下,通過(guò)添加一定的添加劑可以獲得效果良好的鎳-鐵合金鍍層。從資料中得知,鎳-鐵合金電鍍已經(jīng)得到應(yīng)用,鎳-鐵合金鍍層中含鐵量可達(dá)15% ~35% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),以廉價(jià)的鐵代替鎳,可降低成本[1]。鎳-鐵合金鍍層的性能便于調(diào)整,通過(guò)調(diào)整鍍液中鐵的含量,可以調(diào)整鍍層的硬度與耐磨性;鍍層中隨著鐵含量提高,鎳-鐵合金的硬度和耐磨性隨之提高。在我國(guó)電鍍金剛石鉆頭已有40余年的歷史,采用較多的胎體材料是鎳-鈷合金和鎳錳合金,其性能顯得有些單一,鎳-鈷合金的成本較高,生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)需要研究新的胎體材料,研制出新性能的電鍍金剛石鉆頭。試驗(yàn)研究表明,鎳-鐵合金的性能能夠滿足金剛石鉆頭的鉆進(jìn)要求。

    1　試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)

    電鍍鎳-鐵合金多用作防護(hù)與裝飾性鍍層,用作金剛石工具的胎體材料很少,但是,不管鍍層作為什么用途,鍍層性能存在多少差別,鎳-鐵鍍層需要的電鍍液的成分與電鍍工藝是基本相同的。在研究防護(hù)與裝飾性電鍍層的基礎(chǔ)上,提出了鎳-鐵鍍層的基本成分與工藝,進(jìn)行電鍍金剛石鉆頭胎體材料的試驗(yàn)研究。

    1. 1　鍍液成分

    1. 1. 1　鍍液主鹽

    電鍍鎳-鐵合金多采用硫酸鹽鍍液,其主鹽多采用硫酸鎳,含量一般比鍍亮鎳溶液要低,一般為220~240 g/L;提供亞鐵離子(Fe2+)的主鹽采用硫酸亞鐵,亞鐵離子含量應(yīng)依硫酸鎳含量而有所不同,基本控制在18~26 g/L范圍。

    鎳-鐵合金的析出屬于異常共沉積,盡管鐵離子在合金鍍液中的電極電位比鎳還要負(fù)200 mV,而且即使鍍液中鐵離子的濃度很低,鐵仍然會(huì)優(yōu)先析出。由此可知,在實(shí)際電鍍中控制好鍍液中鐵離子的濃度,是獲得鎳-鐵合金鍍層的關(guān)鍵[3]。

    1. 1. 2　氯化鈉

    氯化鈉主要為鍍液提供氯離子,氯離子能夠促進(jìn)陽(yáng)極活化,防止陽(yáng)極鎳鈍化,保持鍍液中鎳離子和鐵離子能夠正常溶解。氯離子含量過(guò)高,會(huì)使鎳離子濃度增加,失去鎳與鐵的正常比例。氯化鈉中的鈉離子能增加鍍液的導(dǎo)電性能和覆蓋能力,降低槽電壓,節(jié)約能耗。電鍍鎳-鐵合金鍍液中,氯化鈉的含量比一般電鍍鎳合金鍍液的含量都高,加量的范圍為20~30 g/L。氯化鈉中的鈉離子濃度過(guò)高也會(huì)增加鍍層的應(yīng)力。為了避免長(zhǎng)期補(bǔ)加氯化鈉而使鈉離子積累,補(bǔ)充氯離子不足時(shí)可以使用氯化鎳;或者在調(diào)整pH值時(shí)用鹽酸代替硫酸,但氯離子含量高時(shí)不可用鹽酸調(diào)節(jié)pH值。

    1. 1. 3硼酸

    在所有鍍鎳溶液中,硼酸是良好的緩沖劑。溶液在電鍍過(guò)程中氫離子因放電而消耗,導(dǎo)致溶液的pH值上升,這時(shí)硼酸中的氫會(huì)離解出來(lái),補(bǔ)充溶液中氫離子的不足,穩(wěn)定陰極膜中的pH值,防止產(chǎn)生氫氧化鎳和氫氧化鐵。

    硼酸一般用量在35~40 g/L比較合適,受溶解度的限制用量不宜過(guò)高;但當(dāng)含量低于30 g/L時(shí),硼酸的緩沖作用就不明顯了。當(dāng)硼酸含量過(guò)高時(shí),在非工作時(shí)間,要保持溶液有較高的溫度,以免硼酸結(jié)晶析出,否則下次使用時(shí)又需加熱。

    1. 1. 4　穩(wěn)定劑

    穩(wěn)定劑是鎳-鐵合金鍍液中不可缺少的成分。穩(wěn)定劑的作用是防止亞鐵離子被氧化成三價(jià)鐵離子而沉淀,影響鍍層質(zhì)量。所用穩(wěn)定劑是與鐵有絡(luò)合作用的物質(zhì),在Fe2+被絡(luò)合后具有防止其被氧化成Fe3+的效果。

    在電鍍鎳-鐵合金中,能與Fe2+絡(luò)合的物質(zhì)比較多,如:檸檬酸鹽、酒石酸鹽、葡萄糖、抗壞血酸等。其中,檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·2H2O)在電鍍鎳-鐵合金中是使用得較多的穩(wěn)定劑。由于檸檬酸離子的絡(luò)合原理和絡(luò)合形式,在合金鍍液中十分穩(wěn)定,即使溶液的pH值高達(dá)5以上,也可以保持鍍液的穩(wěn)定,這在生產(chǎn)實(shí)踐中已得到證實(shí)。不過(guò),它在電鍍過(guò)程中,尤其在陽(yáng)極鈍化或陽(yáng)極電流密度太高和溫度過(guò)高的情況下也會(huì)遞降分解成草酸,與鍍液中的金屬離子形成不溶性的草酸鐵(鎳),引起鍍層粗糙、毛刺;這種降解作用在一般工藝范圍內(nèi)相當(dāng)緩慢。只要用活性碳定期處理,即可消除其影響[3]。

    檸檬酸鈉是三價(jià)鐵的絡(luò)合劑,它可以防止產(chǎn)生氫氧化鐵沉淀。隨著檸檬酸鈉含量的增加,鍍層中鐵含量會(huì)降低,如圖1所示。檸檬酸鈉含量過(guò)高會(huì)影響鍍層的整平性,故其含量要控制適當(dāng),一般控制在20~30 g/L。

1. 2　電鍍工藝條件

1. 2. 1鍍液酸堿度的影響

實(shí)踐表明,電鍍鎳-鐵合金鍍液的酸堿度(pH值)應(yīng)控制在3. 2~4. 0范圍,以3. 5為佳。在電鍍過(guò)程中,在此范圍內(nèi),可得到光亮的、整平性好、延展性好的鎳-鐵鍍層。但是,在電鍍過(guò)程中,隨著氫離子不斷析出, pH值會(huì)逐漸上升;當(dāng)pH值上升到4. 0時(shí),就應(yīng)該調(diào)整pH值到要求范圍,以確保鍍層質(zhì)量,如圖2所示。

pH值過(guò)高(如超過(guò)4. 0)時(shí), Fe2+易于氧化成Fe3+,鍍液中就會(huì)出現(xiàn)氫氧化鐵Fe(OH)3的沉淀,夾雜在合金鍍層中,導(dǎo)致鍍層惡化,延展性差,脆性增加,平整度下降,出現(xiàn)毛刺。因此pH值最好控制在3. 2~3. 8。

1. 2. 2　陰極電流密度的影響

試驗(yàn)表明,陰極電流密度的最佳值在2 ~4A/dm2,適當(dāng)高的陰極電流密度能提高鍍層的光亮度、整平性和加快沉積速度。陰極電流密度過(guò)高時(shí),易使鍍層燒焦,使鍍液pH值變化快。陰極電流密度低時(shí),鍍層的光亮度不足,整平性下降。

試驗(yàn)表明,電流密度在0~2 A/dm2范圍內(nèi),隨著電流密度增加,鍍層中鐵含量由20%逐漸增加至24%。當(dāng)電流密度超過(guò)2. 0 A/dm2后,隨著電流密度增加,鍍層中鐵含量逐漸下降。在電流密度為3~4A/dm2時(shí),可以獲得含鐵量20%的鎳-鐵合金鍍層。而電流密度2~3 A/dm2正是電鍍金剛石鉆頭常采用的電流密度的范圍,可以獲得含鐵量較高的鎳-鐵合金鍍層,所以,電流密度是調(diào)整鍍層中鎳與鐵含量比的參數(shù)之一。

1. 2. 3　溫度的影響

電鍍鎳-鐵合金與電鍍其它鎳合金一樣,溫度參數(shù)很重要,它不僅影響鎳合金中成分的含量比,同時(shí)它可以降低電流密度增大時(shí)帶來(lái)的極化過(guò)大的不利影響。試驗(yàn)表明,鍍液溫度對(duì)鍍層中含鐵量影響明顯,不同含鐵量的鍍層,其力學(xué)性能是不同的。因此,控制鍍液溫度的高低一定要與鍍層的性能相聯(lián)系。電鍍金剛石鉆頭時(shí),鍍液溫度應(yīng)該控制在30~40℃較合適。溫度過(guò)高時(shí),會(huì)促使穩(wěn)定劑加速分解,產(chǎn)生有害降解物。溫度過(guò)低時(shí),鍍層將失去光澤,陰極電流效率下降,整平度降低;溫度過(guò)低還會(huì)在高電流密度區(qū)出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象,鍍層應(yīng)力增加,整平性能也下降。

1. 2. 4　陽(yáng)極

電鍍鎳-鐵合金中,最好使用鎳-鐵合金陽(yáng)極。

使用合金陽(yáng)極操作方便,不需要其他輔助設(shè)備,缺點(diǎn)是不容易控制鍍液中主鹽離子的濃度比。但采用鎳-鐵合金陽(yáng)極可使溶液中鎳-鐵離子含量相對(duì)穩(wěn)定。

電鍍中要準(zhǔn)確控制主鹽濃度比,應(yīng)該采用混裝陽(yáng)極。在采用混裝陽(yáng)極時(shí),要防止鐵的過(guò)量溶解。因?yàn)殍F陽(yáng)極的溶解性要好于鎳,這時(shí)只能減少鐵陽(yáng)極的面積。當(dāng)要求鍍層的含鐵量為20% ~30%時(shí),鎳陽(yáng)極和鐵陽(yáng)極的面積比以(7~8)∶1為好。

為了得到滿意的鍍層,陽(yáng)極應(yīng)采用高純度的鐵,最好單獨(dú)裝在鈦藍(lán)子中,并用雙層聚丙烯織物包扎,以免陽(yáng)極泥渣進(jìn)入鍍液中。要隨時(shí)注意鐵陽(yáng)極的溶解情況。兩種陽(yáng)極的電流密度雖可以不單獨(dú)控制,但要保證有8% ~12%的電流通過(guò)鐵陽(yáng)極。

鎳陽(yáng)極最好采用電解鎳板,保持陽(yáng)極面積與陰極面積之比為2∶1。

2　電鍍鎳-鐵合金試驗(yàn)研究

2. 1　試驗(yàn)方法

電鍍金剛石鉆頭胎體成分與性能的試驗(yàn)研究方法有正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、配方均勻設(shè)計(jì)方法等。從上述電鍍鎳-鐵合金的基本鍍液成分分析可知,對(duì)鎳-鐵鍍層性能產(chǎn)生直接而主要影響的成分是硫酸鎳、硫酸亞鐵和檸檬酸鈉的含量。同時(shí),電鍍工藝對(duì)鍍層性能也會(huì)產(chǎn)生影響,但都有一個(gè)優(yōu)值的范圍,可以不作為因素納入試驗(yàn)研究中。因此,本研究只對(duì)硫酸鎳、硫酸亞鐵和檸檬酸鈉的含量進(jìn)行正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì),找出硫酸鎳、硫酸亞鐵和檸檬酸鈉含量變化對(duì)鎳-鐵鍍層性能的影響規(guī)律[5]。

    依據(jù)上面的分析,試驗(yàn)中硫酸鎳的含量取200~240 g/L,硫酸亞鐵的含量取18~24 g/L,檸檬酸鈉的含量取20~30 g/L。按照L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表(表1)安排9次試驗(yàn),每次試驗(yàn)電鍍兩個(gè)樣品,共得出了18個(gè)鎳-鐵合金鍍層的樣品,并對(duì)這18個(gè)樣品進(jìn)行硬度與耐磨性測(cè)試,對(duì)每組的兩個(gè)測(cè)試值取平均值作為一組的試驗(yàn)指標(biāo)。測(cè)出的硬度值與耐磨性見(jiàn)表1。對(duì)測(cè)試的硬度與耐磨性值進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析,得出隨鍍液成分改變影響硬度與耐磨性的變化規(guī)律見(jiàn)圖1。

從圖4的曲線可以看出,鍍層的硬度與耐磨性的對(duì)應(yīng)性比較好,即硬度高的鍍層所對(duì)應(yīng)的耐磨性也高(即磨損量低),這說(shuō)明電鍍的胎體是一種合金,在硬度與耐磨性上基本相一致。

從表1看出,硫酸鎳所對(duì)應(yīng)的R值最大,說(shuō)明硫酸鎳的影響最大;檸檬酸鈉的R值次之,它的影響比較大;硫酸亞鐵的R值最小,它對(duì)鍍層性能的影響最小。鍍液的pH值影響比較大,當(dāng)pH值為3. 5時(shí),所對(duì)應(yīng)的鍍層性能比較好,這和其他資料中所研究的結(jié)果基本一致。

從表1的試驗(yàn)組合結(jié)果可見(jiàn),硬度(Hv)指標(biāo)值在376~452之間,耐磨性在388~482 mg之間。這樣的性能指標(biāo)都能滿足電鍍金剛石鉆頭的胎體性能要求,也就是說(shuō),在試驗(yàn)的條件下,表1中的9種組合都能用于電鍍金剛石鉆頭,只是不同的組合所具有的性能不同,所適應(yīng)的巖層不同。

2. 2　電鍍鎳-鐵胎體鉆頭試驗(yàn)

2 . 2. 1　鉆頭試制

由上述試驗(yàn)可知,試驗(yàn)組合6號(hào)所對(duì)應(yīng)的鍍層的硬度最高,耐磨性最強(qiáng)。這就意味著這組配方與工藝所電鍍出的鉆頭硬度高、耐磨性強(qiáng)。按照6號(hào)配方與工藝電鍍出的金剛石鉆頭,可以鉆進(jìn)硬度較高與研磨性較強(qiáng)的巖石。

試制鉆頭所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為:鍍液溫度控制在40℃,電流密度控制在1. 8 A/dm2。試制了兩只42/27mm鉆頭,供室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)。

2. 2. 2　鉆頭試驗(yàn)與結(jié)果分析

從室內(nèi)鉆進(jìn)效果可知,鉆進(jìn)時(shí)效達(dá)到1. 87 m/h,從鉆頭的磨損預(yù)計(jì)鉆頭壽命能達(dá)到46 m,這是一個(gè)比較滿意的試驗(yàn)研究結(jié)果。試驗(yàn)表明鎳-鐵合金鍍層是一種新的胎體材料,電鍍鎳-鐵金剛石鉆頭是一種新性能的電鍍金剛石鉆頭,很有發(fā)展前景。目前已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。

鎳-鐵合金鍍層的硬度較高,耐磨性也較好,接近鎳-鈷合金的性能,優(yōu)于鎳-錳胎體的性能。其原因是鎳-鐵屬同族元素,鎳-鐵合金的性能優(yōu)異,對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性好于其它鎳合金。

3　結(jié)論

(1)采用正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究鍍液成分改變對(duì)鍍層性能的影響規(guī)律,是一種簡(jiǎn)便而可行的試驗(yàn)研究方法,是宏觀控制鍍層性能的一種先進(jìn)的方法。

(2)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果表明,電鍍鎳-鐵合金完全可以作為電鍍金剛石鉆頭的胎體材料,電鍍鎳-鐵胎體金剛石鉆頭可以用于鉆探生產(chǎn)中。

(3)電鍍鎳-鐵合金胎體金剛石鉆頭的成本明顯下降;胎體合金中鎳與鐵的含量可以通過(guò)改變鍍液中主鹽的含量比與電鍍工藝來(lái)實(shí)現(xiàn),可以獲得不同性能的鎳-鐵合金胎體,適應(yīng)不同巖層的鉆進(jìn)要求。

(4)該試驗(yàn)研究主要在室內(nèi)進(jìn)行,有必要加強(qiáng)生產(chǎn)性試驗(yàn)與研究,完善鍍液配方與電鍍工藝,使電鍍鎳-鐵胎體金剛石鉆頭成為一種有競(jìng)爭(zhēng)能力的鉆頭。

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作者簡(jiǎn)介第一作者孫仲鳴,男, 1967年生,副教授,碩士生導(dǎo)師,珠寶學(xué)院副院長(zhǎng),從事現(xiàn)代首飾設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、貴金屬新材料研究等方面的研究和教學(xué)。