牛明远1，潘秉锁2，方小红2 （1.新疆煤田地质局一六一队，新疆乌鲁木齐830009；2.中国地质大学工程学院，湖北武汉430074） 摘要：本文选用碳化钨硬质颗粒作为增强材料与金刚石颗粒共同沉积到镍基金属中，以提高电镀金刚石钻头胎体的耐磨性。首先采用单因素实验分析方法，研究了复合电镀主要工艺参数对复合镀层中WC颗粒含量以及沉积速率的影响，然后经综合分析优化出最佳工艺参数，采用复合电镀工艺制作出镍基WC-金刚石复合镀层，并与镍基金刚石复合镀层的磨损特性进行了比较。结果表明：碳化钨硬质颗粒的引入，使得复合镀层的质量磨损量和摩擦系数减少，耐磨性提高。 关键词：电镀金刚石钻头；碳化钨；复合电镀；摩擦磨损 中图分类号：P634.4+.1文献标识码：A 文章编号：1674－1803（2011）05－0057－03 0·前言 目前，电镀金刚石钻头的胎体常采用镍、镍-钴合金作为镀层基质金属，其韧性较好，但强度和耐磨性较差，易发生蠕动和变形，不能使用较高钻压钻进，也不能用于坚硬或者研磨性极强地层的钻进。采用镍-磷、镍-锰合金等作为电镀金刚石钻头胎体材料时，胎体硬度比较高，但其韧性差，易发生脆性断裂，而且耐磨性也不是很理想。郭鹤桐等[1]借鉴粉末冶金法制作金刚石钻头工艺，提出了强化复合电镀金刚石钻头胎体的思路，即将粒径接近胶体大小的陶瓷颗粒加入到胎体基质金属中，以满足其高强度，高耐磨性的要求。 碳化钨（化学式WC），熔点2 870℃，沸点6000℃，密度15.6g/cm3，莫氏硬度8.5~9，为电、热的良好导体。碳化钨除了硬度高以外，还具有耐磨损、耐腐蚀和耐高温等特性。在此，本文提出了复合电镀技术制作镍基硬质颗粒-金刚石复合镀层，即选用碳化钨硬质颗粒作为增强材料与金刚石颗粒共同沉积到镍基金属中，以提高胎体的耐磨性。 1·实验 实验采用改良型瓦特镀镍液[2]，其配方为：硫酸镍（NiSO4·6H2O）250g/L，氯化钠（NaCl）15g/L，硼酸（H3BO4）35g/L，十二烷基硫酸钠0.06g/L。镀液pH值为4.0。 实验在恒温水浴中进行，在镀液中加入一定量的平均粒径75μm的WC颗粒，采用机械搅拌使颗粒充分悬浮于镀液中，在恒定的搅拌速度N=（240±5）rpm和电沉积时间Δt=4h下，进行恒电流电镀。阴极为1.5cm×1.0cm薄铜片，其非工作面绝缘。复合镀层中WC颗粒含量α（wt%）采用溶解灼烧重量法[1]测定，沉积速率v（g/cm2·h）是通过称量薄铜片单位面积上的增重并除以电镀时间得到的。 2·实验结果和讨论 2.1阴极电流密度的影响 控制镀液中WC颗粒悬浮量C=4g/L，镀液温度T=35℃，改变阴极电流密度Dk，实验结果如图1所示。
在阴极电流密度较小时，随着电流密度的增大，阴极过电位增高，加快了基质金属镍的沉积速度，缩短了WC颗粒嵌入镀层所需时间，单位时间嵌入镀层的WC颗粒增多，复合镀层中WC颗粒含量增多，电流密度为35mA/cm2时达到最大值。当阴极电流密度从35mA/cm2提高到50mA/cm2，镀层中WC重量并没有显着变化，但是随着电流密度的继续增大，WC颗粒嵌入镀层速度的提高，赶不上基质金属镍沉积速度的提高，导致复合镀层中WC颗粒含量减少。 由于镍离子的沉积速度决定了复合镀层的沉积速率，因此随着阴极电流密度的增大，复合镀层的沉积速率也就加快。但是，通过肉眼观察复合镀层表面形态发现，随着阴极电流密度的增大，镀层变得粗糙、不平整。因此，最佳阴极电流密度为40mA/cm2。 2.2镀液温度的影响 控制镀液中WC颗粒悬浮量C=4g/L，阴极电流密度Dk=40mA/cm2，改变镀液温度T，实验结果如图2所示。
在镀液温度较低的条件下升高温度，可以加剧镀液中WC颗粒以及镍离子的热运动，单位时间内通过机械搅拌运动到阴极表面的WC颗粒和镍离子数量增多，因此复合镀层中WC颗粒含量也就相应增多。当镀液温度超过35℃后继续升温，镀液粘度将降低，使得WC颗粒对阴极表面的粘附力下降，导致复合镀层中WC颗粒含量减少。 随着镀液温度的升高，镀液中的盐类溶解度提高，镍离子的热运动加强，促进了基质金属镍的电沉积，因此，复合镀层的沉积速率也就加快。但是，镀液温度越高，镀液挥发越严重，镀液的质量和稳定性下降。实验发现，最佳镀液温度为35℃。 2.3 WC颗粒悬浮量的影响 控制阴极电流密度Dk=40mA/cm2，镀液温度T=35℃，改变镀液WC颗粒悬浮量C，实验结果如图3所示。
碳化钨是电的良好导体，当其到达阴极表面后，金属镍基质可直接沉积在其表面，使WC颗粒比较容易地被埋入复合镀层中[3]。因此，镀液中WC颗粒悬浮量越大，则在单位时间内通过机械搅拌送到阴极表面的WC颗粒数量越多，WC颗粒被嵌入镀层的几率也就越大。当颗粒悬浮量达到8g/L时，镀层中的WC含量达到最大值。随着颗粒悬浮量继续增加，吸附在WC颗粒表面的氢离子和镍离子的量也在增加，且由于氢在WC颗粒上析出的电位比金属镍更正些，故达到阴极表面的WC颗粒数量越多，析氢量越大，金属镍的沉积量越少。同时，镀液中WC颗粒会对阴极表面上尚未完全嵌牢的WC颗粒有一定的冲刷作用，颗粒悬浮量越多，这种冲刷作用越明显。此时，复合镀层中的WC含量呈减小趋势。 WC颗粒嵌入镀层使得镀层粗糙度增大，增加了阴极表面的活性面积，加速了金属镍离子的沉积，从而复合镀层沉积速率加快。当颗粒悬浮量超过6g/L后再继续增加时，吸附在WC颗粒表面的氢离子和镍离子的量也在增加，使得镀液体系中单独沉积的有效镍离子数量减少，由于镍离子的沉积速度决定了复合镀层的沉积速率[4]，并且镀液中WC颗粒的冲刷作用，都将导致复合镀层总沉积量减少，表现为复合镀层沉积速率下降。因此，最佳WC颗粒悬浮量为6g/L。 2.4镍基WC-金刚石复合镀层的制备 在改良型瓦特镀镍液中加入6g/L平均粒径75μm的WC颗粒，采用机械搅拌使颗粒充分悬浮于镀液中，控制阴极电流密度Dk=40mA/cm2，镀液温度T=35℃。阴极为Ф10mm×14mm的圆柱型铸铁，其非工作面绝缘。预镀后暂停搅拌，将金刚石（45/50目，SDD 9060/9080型）采用滴管均匀撒到朝上的施镀面上，经一定时间后，卸去未被粘结的金刚石，再启动搅拌，直至金刚石颗粒完全被包裹。再重复一次，进行第二层金刚石的复合镀。 3·摩擦磨损性能对比 摩擦磨损试验在MG-2000A型高速高温摩擦磨损试验机上进行，载荷500N（约合6.37MPa），线速度为2m/s。模拟实际钻进过程，对磨试样为75mm×75mm×75mm花岗岩，采用清水作为冲洗液介质。摩擦磨损试验时间为2min。 通过肉眼观察试样磨损后表面形态，镍基金刚石复合镀层表面出现明显磨痕，金刚石颗粒出现脱落；镍基WC-金刚石复合镀层上磨痕不明显，金刚石颗粒较完整（表1）。
从表1可以看出，镍基WC-金刚石复合镀层中由于存在大量碳化钨硬质颗粒，它与金刚石颗粒共同承受载荷，抑制复合镀层的变形破坏；而且硬质颗粒能够抵御外来硬质磨料对镀层的切削挤压，部分磨料会被硬质颗粒磨损或挤碎而丧失切削能力，减轻了磨料对试样的磨损。镍基WC-金刚石复合镀层较镍基金刚石复合镀层磨损量减少，耐磨性提高。正是由于镍基WC-金刚石复合镀层试样中存在大量金刚石和碳化钨硬质颗粒，它们随着试样镍基金属的磨损而逐渐裸露于摩擦表面，起一定承载作用，使得摩擦面实际接触面积减小，由面接触变为点接触，摩擦力降低，摩擦系数减小[5]。 4·结论 ①在改良型瓦特镀镍液中制备Ni-WC复合镀层的最佳工艺参数是：阴极电流密度40mA/cm2，镀液温度35℃，镀液中WC颗粒悬浮量6g/L； ②镍基WC-金刚石复合镀层中由于存在大量碳化钨颗粒，其质量磨损量和摩擦系数较镍基金刚石复合镀层减少； ③在电镀金刚石钻头制作过程中，可以将碳化钨等其他硬质颗粒与金刚石颗粒共同沉积到胎体金属中，以提高胎体的耐磨性。 参考文献： [1]郭鹤桐，张三元。复合镀层[M].天津：天津大学出版社，1991. [2]方小红。超声波电镀镍基金刚石钻头工艺与机理研究[D].武汉：中国地质大学博士学位论文，2008（5）。 [3]覃奇贤，郭鹤桐，朱龙章。镍-碳化钨复合电沉积过程的研究[J].材料保护，1993，（7）：4~7. [4]姜秀明。Ni-SiC纳米复合电镀工艺研究[D].辽宁鞍山：辽宁科技大学硕士学位论文，2008，（3）。 [5]Surender M,Basu B.&Balasubramaniam,R.Wear characterization of electrodeposited Ni-WC composite coatings[J].Tribology International,2004（37）：743~749. 注：本站部分资料需要安装PDF阅读器才能查看，如果你不能浏览文章全文，请检查你是否已安装PDF阅读器！ |
