(中国地质大学武汉) 摘要：国内采用镍-铁合金作为电镀金刚石钻头的胎体材料仍处于试验研究中。本文详细介绍了镍-铁合金镀液的主要成分及其作用试验分析了电镀工艺对镀层质量的影响采用正交回归试验设计方法对胎体成分与性能间的变化规律进行了试验研究。结果表明镍-铁合金镀层是电镀金刚石钻头的较理想的胎体材料。通过调整镀液成分及其含量和改变工艺参数可以获得不同硬度与耐磨性的镍-铁镀层可以满足电镀金刚石钻头的要求。依据研究结果试制了2个钻头进行了室内实钻试验在8~9级正长花岗岩中钻进平均时效达到1.87m/h钻头平均寿命达到45.9m取得了较好的钻进效果。 关键词：镍-铁合金;电镀;金刚石钻头 前言 普通电镀镍溶液中铁是有害杂质。但是试验研究中发现电镀中镍与铁并不是不相容的在一定的工艺条件下通过添加一定的添加剂可以获得效果良好的镍-铁合金镀层。从资料中得知镍-铁合金电镀已经得到应用镍-铁合金镀层中含铁量可达15%~35%(质量分数下同)以廉价的铁代替镍可降低成本。镍-铁合金镀层的性能便于调整通过调整镀液中铁的含量可以调整镀层的硬度与耐磨性;镀层中随着铁含量提高镍-铁合金的硬度和耐磨性随之提高。在我国电镀金刚石钻头已有40余年的历史采用较多的胎体材料是镍-钴合金和镍锰合金其性能显得有些单一镍-钴合金的成本较高生产现实需要研究新的胎体材料研制出新性能的电镀金刚石钻头。试验研究表明镍-铁合金的性能能够满足金刚石钻头的钻进要求。 1 试验研究设计 电镀镍-铁合金多用作防护与装饰性镀层用作金刚石工具的胎体材料很少但是不管镀层作为什么用途镀层性能存在多少差别镍-铁镀层需要的电镀液的成分与电镀工艺是基本相同的。在研究防护与装饰性电镀层的基础上提出了镍-铁镀层的基本成分与工艺进行电镀金刚石钻头胎体材料的试验研究。 1.1 镀液成分 1.1.1 镀液主盐 电镀镍-铁合金多采用硫酸盐镀液其主盐多采用硫酸镍含量一般比镀亮镍溶液要低一般为220~240g/L;提供亚铁离子(Fe2+)的主盐采用硫酸亚铁亚铁离子含量应依硫酸镍含量而有所不同基本控制在18~26g/L范围。 镍-铁合金的析出属于异常共沉积尽管铁离子在合金镀液中的电极电位比镍还要负200mV而且即使镀液中铁离子的浓度很低铁仍然会优先析出。由此可知在实际电镀中控制好镀液中铁离子的浓度是获得镍-铁合金镀层的关键。 1.1.2 氯化钠 氯化钠主要为镀液提供氯离子氯离子能够促进阳极活化防止阳极镍钝化保持镀液中镍离子和铁离子能够正常溶解。氯离子含量过高会使镍离子浓度增加失去镍与铁的正常比例。氯化钠中的钠离子能增加镀液的导电性能和覆盖能力降低槽电压结约能耗。电镀镍-铁合金镀液中氯化钠的含量比一般电镀镍合金镀液的含量都高加量的范围为20~30g/L。氯化钠中的钠离子浓度过高也会增加镀层的应力。为了避免长期补加氯化钠而使钠离子积累补充氯离子不足时可以使用氯化镍;或者在调整pH值时用盐酸代替硫酸但氯离子含量高时不可用盐酸调结pH值。 1.1.3 硼酸 在所有镀镍溶液中硼酸是良好的缓冲剂。溶液在电镀过程中氢离子因放电而消耗导致溶液的pH猪阆升这时硼酸中的氢会离解出来补充溶液中氢离子的不足稳定阴极膜中的pH值防止产生氢氧化镍和氢氧化铁。 硼酸一般用量在35~40g/L比较合适受溶解度的限制用量不宜过高;但当含量低于30g/L时硼酸的缓冲作用就不明显了。当硼酸含量过高时在非工作时间要保持溶液有较高的温度以免硼酸结晶析出否则下次使用时又需加热。 1.1.4 稳定剂 稳定剂是镍-铁合金镀液中不可缺少的成分。稳定剂的作用是防止亚铁离子被氧化成三价铁离子而沉淀影响镀层质量。所用稳定剂是与铁有络合作用的物质在Fe2+被络合后具有防止其被氧化成Fe3+的效果。 在电镀镍-铁合金中能与Fe2+络合的物质比较多如:柠檬酸盐、酒石酸盐、葡萄糖、抗坏血酸等。其中柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O)在电镀镍-铁合金中是使用得较多的稳定剂。由于柠檬酸离子的络合原理和络合形式在合金镀液中十分稳定即使溶液的pH值高达5以上也可以保持镀液的稳定这在生产实践中已得到证实。不过它在电镀过程中尤其在阳极钝化或阳极电流密度太高和温度过高的情况下也会递降分解成草酸与镀液中的金属离子形成不溶性的草酸铁(镍)引起镀层粗糙、毛刺;这种降解作用在一般工艺范围内相当缓慢。只要用活性碳定期处理即可消除其影响。 柠檬酸钠是三价铁的络合剂它可以防止产生氢氧化铁沉淀。随着柠檬酸钠含量的增加镀层中铁含量会降低如图1所示。柠檬酸钠含量过高会影响镀层的整平性故其含量要控制适当一般控制在20~30g/L。
1.2 电镀工艺条件 1.2.1 镀液酸碱度的影响 实践表明电镀镍-铁合金镀液的酸碱度(pH值)应控制在3.2~4.0范围以3.5为佳。在电镀过程中在此范围内可得到光亮的、整平性好、延展性好的镍-铁镀层。但是在电镀过程中随着氢离子不断析出pH值会逐渐上升;当pH猪阆升到4.0时就应该调整pH值到要求范围以确保镀层质量如图2所示。
pH值过高(如超过4.0)时Fe2+易于氧化成Fe3+镀液中就会出现氢氧化铁Fe(OH)3的沉淀夹杂在合金镀层中导致镀层恶化延展性差脆性增加平整度下降出现毛刺。因此pH值最好控制在3.2~3.8。 1.2.2 阴极电流密度的影响 试验表明阴极电流密度的最佳值在2~4A/dm2适当高的阴极电流密度能提高镀层的光亮啡、整平性和加快沉积速度。阴极电流密度过高时易使镀层烧焦使镀液pH值变化快。阴极电流密度低时镀层的光亮啡不足整平性下降。 试验表明电流密度在0~2A/dm2范围内随着电流密度增加镀层中铁含量由20%逐渐增加至24%。当电流密度超过2.0A/dm2后随着电流密度增加镀层中铁含量逐渐下降。在电流密度为3~4A/dm2时可以获得含铁量20%的镍-铁合金镀层。而电流密度2~3A/dm2正是电镀金刚石钻头常采用的电流密度的范围可以获得含铁量较高的镍-铁合金镀层所以电流密度是调整镀层中镍与铁含量比的参数之一。
1.2.3 温度的影响 电镀镍-铁合金与电镀其它镍合金一样温度参数很重要它不仅影响镍合金中成分的含量比同时它可以降低电流密度增大时带来的极化过大的不利影响。试验表明镀液温度对镀层中含铁量影响明显不同含铁量的镀层其力学性能是不同的。 |
