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當(dāng)前位置：首頁 > 新聞信息- 電鍍鎳-鐵金剛石鉆頭配方與工藝研究
- 錄入時間: 2012/7/28
摘要：國內(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,試驗分析了電鍍工藝對鍍層質(zhì)量的影響,采用正交回歸試驗設(shè)計方法對胎體成分與性能間的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗研究。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個鉆頭,進(jìn)行了室內(nèi)實鉆試驗,在8~9級正長花崗巖中鉆進(jìn),平均時效達(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
前言
普通電鍍鎳溶液中鐵是有害雜質(zhì)。但是,試驗研究中發(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試驗研究設(shè)計
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,鐵仍然會優(yōu)先析出。由此可知,在實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20~30g/L。氯化鈉中的鈉離子濃度過高也會增加鍍層的應(yīng)力。為了避免長期補加氯化鈉而使鈉離子積累,補充氯離子不足時可以使用氯化鎳;或者在調(diào)整pH值時用鹽酸代替硫酸,但氯離子含量高時不可用鹽酸調(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。溶液在電鍍過程中氫離子因放電而消耗,導(dǎo)致溶液的pH值上升,這時硼酸中的氫會離解出來,補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,硼酸的緩沖作用就不明顯了。當(dāng)硼酸含量過高時,在非工作時間,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)實踐中已得到證實。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,鍍層中鐵含量會降低,如圖1所示。檸檬酸鈉含量過高會影響鍍層的整平性,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值會逐漸上升;當(dāng)pH值上升到4.0時,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,Fe2+易于氧化成Fe3+,鍍液中就會出現(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。