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【簡(jiǎn)介】
孫仲鳴1楊洋2楊凱花3
(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)武漢)
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1.87m/h鉆頭平均壽命達(dá)到45.9m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
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。鎳-鐵合金鍍層的性能便于調(diào)整通過調(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220~240g/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18~26g/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)200mV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。
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)陽極活化防止陽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結(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20~30g/L。氯化鈉中的鈉離子濃度過高也會(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)結(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。溶液在電鍍過程中氫離子因放電而消耗導(dǎo)致溶液的pH豬閬升這時(shí)硼酸中的氫會(huì)離解出來補(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35~40g/L比較合適受溶解度的限制用量不宜過高;但當(dāng)含量低于30g/L時(shí)硼酸的緩沖作用就不明顯了。當(dāng)硼酸含量過高時(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)。不過它在電鍍過程中尤其在陽極鈍化或陽極電流密度太高和溫度過高的情況下也會(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。
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20~30g/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。但是在電鍍過程中隨著氫離子不斷析出pH值會(huì)逐漸上升;當(dāng)pH豬閬升到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值過高(如超過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啡、整平性和加快沉積速度。陰極電流密度過高時(shí)易使鍍層燒焦使鍍液pH值變化快。陰極電流密度低時(shí)鍍層的光亮啡不足整平性下降。
試驗(yàn)表明電流密度在0~2A/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2.0A/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2~3A/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)帶來的極化過大的不利影響。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。
