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【簡介】
牛明遠(yuǎn)1，潘秉鎖2，方小紅2
（1.新疆煤田地質(zhì)局一六一隊(duì)，新疆烏魯木齊830009；2.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074）
摘要：本文選用碳化鎢硬質(zhì)顆粒作為增強(qiáng)材料與金剛石顆粒共同沉積到鎳基金屬中，以提高電鍍金剛石鉆頭胎體的耐磨性。首先采用單因素實(shí)驗(yàn)分析方法，研究了復(fù)合電鍍主要工藝參數(shù)對復(fù)合鍍層中WC顆粒含量以及沉積速率的影響，然后經(jīng)綜合分析優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)，采用復(fù)合電鍍工藝制作出鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層，并與鎳基金剛石復(fù)合鍍層的磨損特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：碳化鎢硬質(zhì)顆粒的引入，使得復(fù)合鍍層的質(zhì)量磨損量和摩擦系數(shù)減少，耐磨性提高。
關(guān)鍵詞：電鍍金剛石鉆頭；碳化鎢；復(fù)合電鍍；摩擦磨損
中圖分類號：P634.4+.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1674－1803（2011）05－0057－03
0·前言
目前，電鍍金剛石鉆頭的胎體常采用鎳、鎳-鈷合金作為鍍層基質(zhì)金屬，其韌性較好，但強(qiáng)度和耐磨性較差，易發(fā)生蠕動和變形，不能使用較高鉆壓鉆進(jìn)，也不能用于堅(jiān)硬或者研磨性極強(qiáng)地層的鉆進(jìn)。采用鎳-磷、鎳-錳合金等作為電鍍金剛石鉆頭胎體材料時(shí)，胎體硬度比較高，但其韌性差，易發(fā)生脆性斷裂，而且耐磨性也不是很理想。郭鶴桐等[1]借鑒粉末冶金法制作金剛石鉆頭工藝，提出了強(qiáng)化復(fù)合電鍍金剛石鉆頭胎體的思路，即將粒徑接近膠體大小的陶瓷顆粒加入到胎體基質(zhì)金屬中，以滿足其高強(qiáng)度，高耐磨性的要求。
碳化鎢（化學(xué)式WC），熔點(diǎn)2 870℃，沸點(diǎn)6000℃，密度15.6g/cm3，莫氏硬度8.5~9，為電、熱的良好導(dǎo)體。碳化鎢除了硬度高以外，還具有耐磨損、耐腐蝕和耐高溫等特性。在此，本文提出了復(fù)合電鍍技術(shù)制作鎳基硬質(zhì)顆粒-金剛石復(fù)合鍍層，即選用碳化鎢硬質(zhì)顆粒作為增強(qiáng)材料與金剛石顆粒共同沉積到鎳基金屬中，以提高胎體的耐磨性。
1·實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)采用改良型瓦特鍍鎳液[2]，其配方為：硫酸鎳（NiSO4·6H2O）250g/L，氯化鈉（NaCl）15g/L，硼酸（H3BO4）35g/L，十二烷基硫酸鈉0.06g/L。鍍液pH值為4.0。
實(shí)驗(yàn)在恒溫水浴中進(jìn)行，在鍍液中加入一定量的平均粒徑75μm的WC顆粒，采用機(jī)械攪拌使顆粒充分懸浮于鍍液中，在恒定的攪拌速度N=（240±5）rpm和電沉積時(shí)間Δt=4h下，進(jìn)行恒電流電鍍。陰極為1.5cm×1.0cm薄銅片，其非工作面絕緣。復(fù)合鍍層中WC顆粒含量α（wt%）采用溶解灼燒重量法[1]測定，沉積速率v（g/cm2·h）是通過稱量薄銅片單位面積上的增重并除以電鍍時(shí)間得到的。
2·實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1陰極電流密度的影響
控制鍍液中WC顆粒懸浮量C=4g/L，鍍液溫度T=35℃，改變陰極電流密度Dk，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。
在陰極電流密度較小時(shí)，隨著電流密度的增大，陰極過電位增高，加快了基質(zhì)金屬鎳的沉積速度，縮短了WC顆粒嵌入鍍層所需時(shí)間，單位時(shí)間嵌入鍍層的WC顆粒增多，復(fù)合鍍層中WC顆粒含量增多，電流密度為35mA/cm2時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)陰極電流密度從35mA/cm2提高到50mA/cm2，鍍層中WC重量并沒有顯著變化，但是隨著電流密度的繼續(xù)增大，WC顆粒嵌入鍍層速度的提高，趕不上基質(zhì)金屬鎳沉積速度的提高，導(dǎo)致復(fù)合鍍層中WC顆粒含量減少。
由于鎳離子的沉積速度決定了復(fù)合鍍層的沉積速率，因此隨著陰極電流密度的增大，復(fù)合鍍層的沉積速率也就加快。但是，通過肉眼觀察復(fù)合鍍層表面形態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著陰極電流密度的增大，鍍層變得粗糙、不平整。因此，最佳陰極電流密度為40mA/cm2。
2.2鍍液溫度的影響
控制鍍液中WC顆粒懸浮量C=4g/L，陰極電流密度Dk=40mA/cm2，改變鍍液溫度T，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
在鍍液溫度較低的條件下升高溫度，可以加劇鍍液中WC顆粒以及鎳離子的熱運(yùn)動，單位時(shí)間內(nèi)通過機(jī)械攪拌運(yùn)動到陰極表面的WC顆粒和鎳離子數(shù)量增多，因此復(fù)合鍍層中WC顆粒含量也就相應(yīng)增多。當(dāng)鍍液溫度超過35℃后繼續(xù)升溫，鍍液粘度將降低，使得WC顆粒對陰極表面的粘附力下降，導(dǎo)致復(fù)合鍍層中WC顆粒含量減少。
隨著鍍液溫度的升高，鍍液中的鹽類溶解度提高，鎳離子的熱運(yùn)動加強(qiáng)，促進(jìn)了基質(zhì)金屬鎳的電沉積，因此，復(fù)合鍍層的沉積速率也就加快。但是，鍍液溫度越高，鍍液揮發(fā)越嚴(yán)重，鍍液的質(zhì)量和穩(wěn)定性下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳鍍液溫度為35℃。
2.3 WC顆粒懸浮量的影響
控制陰極電流密度Dk=40mA/cm2，鍍液溫度T=35℃，改變鍍液WC顆粒懸浮量C，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
碳化鎢是電的良好導(dǎo)體，當(dāng)其到達(dá)陰極表面后，金屬鎳基質(zhì)可直接沉積在其表面，使WC顆粒比較容易地被埋入復(fù)合鍍層中[3]。因此，鍍液中WC顆粒懸浮量越大，則在單位時(shí)間內(nèi)通過機(jī)械攪拌送到陰極表面的WC顆粒數(shù)量越多，WC顆粒被嵌入鍍層的幾率也就越大。當(dāng)顆粒懸浮量達(dá)到8g/L時(shí)，鍍層中的WC含量達(dá)到最大值。隨著顆粒懸浮量繼續(xù)增加，吸附在WC顆粒表面的氫離子和鎳離子的量也在增加，且由于氫在WC顆粒上析出的電位比金屬鎳更正些，故達(dá)到陰極表面的WC顆粒數(shù)量越多，析氫量越大，金屬鎳的沉積量越少。同時(shí)，鍍液中WC顆粒會對陰極表面上尚未完全嵌牢的WC顆粒有一定的沖刷作用，顆粒懸浮量越多，這種沖刷作用越明顯。此時(shí)，復(fù)合鍍層中的WC含量呈減小趨勢。
WC顆粒嵌入鍍層使得鍍層粗糙度增大，增加了陰極表面的活性面積，加速了金屬鎳離子的沉積，從而復(fù)合鍍層沉積速率加快。當(dāng)顆粒懸浮量超過6g/L后再繼續(xù)增加時(shí)，吸附在WC顆粒表面的氫離子和鎳離子的量也在增加，使得鍍液體系中單獨(dú)沉積的有效鎳離子數(shù)量減少，由于鎳離子的沉積速度決定了復(fù)合鍍層的沉積速率[4]，并且鍍液中WC顆粒的沖刷作用，都將導(dǎo)致復(fù)合鍍層總沉積量減少，表現(xiàn)為復(fù)合鍍層沉積速率下降。因此，最佳WC顆粒懸浮量為6g/L。
2.4鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層的制備
在改良型瓦特鍍鎳液中加入6g/L平均粒徑75μm的WC顆粒，采用機(jī)械攪拌使顆粒充分懸浮于鍍液中，控制陰極電流密度Dk=40mA/cm2，鍍液溫度T=35℃。陰極為Ф10mm×14mm的圓柱型鑄鐵，其非工作面絕緣。預(yù)鍍后暫停攪拌，將金剛石（45/50目，SDD 9060/9080型）采用滴管均勻撒到朝上的施鍍面上，經(jīng)一定時(shí)間后，卸去未被粘結(jié)的金剛石，再啟動攪拌，直至金剛石顆粒完全被包裹。再重復(fù)一次，進(jìn)行第二層金剛石的復(fù)合鍍。
3·摩擦磨損性能對比 摩擦磨損試驗(yàn)在MG-2000A型高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，載荷500N（約合6.37MPa），線速度為2m/s。模擬實(shí)際鉆進(jìn)過程，對磨試樣為75mm×75mm×75mm花崗巖，采用清水作為沖洗液介質(zhì)。摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間為2min。
通過肉眼觀察試樣磨損后表面形態(tài)，鎳基金剛石復(fù)合鍍層表面出現(xiàn)明顯磨痕，金剛石顆粒出現(xiàn)脫落；鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層上磨痕不明顯，金剛石顆粒較完整（表1）。
從表1可以看出，鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層中由于存在大量碳化鎢硬質(zhì)顆粒，它與金剛石顆粒共同承受載荷，抑制復(fù)合鍍層的變形破壞；而且硬質(zhì)顆粒能夠抵御外來硬質(zhì)磨料對鍍層的切削擠壓，部分磨料會被硬質(zhì)顆粒磨損或擠碎而喪失切削能力，減輕了磨料對試樣的磨損。鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層較鎳基金剛石復(fù)合鍍層磨損量減少，耐磨性提高。正是由于鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層試樣中存在大量金剛石和碳化鎢硬質(zhì)顆粒，它們隨著試樣鎳基金屬的磨損而逐漸裸露于摩擦表面，起一定承載作用，使得摩擦面實(shí)際接觸面積減小，由面接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，摩擦力降低，摩擦系數(shù)減小[5]。
4·結(jié)論
①在改良型瓦特鍍鎳液中制備Ni-WC復(fù)合鍍層的最佳工藝參數(shù)是：陰極電流密度40mA/cm2，鍍液溫度35℃，鍍液中WC顆粒懸浮量6g/L；
②鎳基WC-金剛石復(fù)合鍍層中由于存在大量碳化鎢顆粒，其質(zhì)量磨損量和摩擦系數(shù)較鎳基金剛石復(fù)合鍍層減少；
③在電鍍金剛石鉆頭制作過程中，可以將碳化鎢等其他硬質(zhì)顆粒與金剛石顆粒共同沉積到胎體金屬中，以提高胎體的耐磨性。
參考文獻(xiàn)：
[1]郭鶴桐，張三元。復(fù)合鍍層[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991.
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[3]覃奇賢，郭鶴桐，朱龍章。鎳-碳化鎢復(fù)合電沉積過程的研究[J].材料保護(hù)，1993，（7）：4~7.
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[5]Surender M,Basu B.&Balasubramaniam,R.Wear characterization of electrodeposited
Ni-WC composite coatings[J].Tribology International,2004（37）：743~749.
