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  牛明遠1，潘秉鎖2，方小紅2

    （1．新疆煤田地質局一六一隊，新疆烏魯木齊830009；2．中國地質大學工程學院，湖北武漢430074）

    摘要：本文選用碳化鎢硬質顆粒作為增強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。首先采用單因素實驗分析方法，研究了復合電鍍主要工藝參數對復合鍍層中WC顆粒含量以及沉積速率的影響，然后經綜合分析優化出最佳工藝參數，采用復合電鍍工藝制作出鎳基WC-金剛石復合鍍層，并與鎳基金剛石復合鍍層的磨損特性進行了比較。結果表明：碳化鎢硬質顆粒的引入，使得復合鍍層的質量磨損量和摩擦系數減少，耐磨性提高。

    關鍵詞：電鍍金剛石鉆頭；碳化鎢；復合電鍍；摩擦磨損

    中圖分類號：P634.4+.1 文獻標識碼：A

    文章編號：1674－1803（2011）05－0057－03

    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金屬，其韌性較好，但強度和耐磨性較差，易發生蠕動和變形，不能使用較高鉆壓鉆進，也不能用于堅硬或者研磨性極強地層的鉆進。采用鎳-磷、鎳-錳合金等作為電鍍金剛石鉆頭胎體材料時，胎體硬度比較高，但其韌性差，易發生脆性斷裂，而且耐磨性也不是很理想。郭鶴桐等借鑒粉末冶金法制作金剛石鉆頭工藝，提出了強化復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金屬中，以滿足其高強度，高耐磨性的要求。

    碳化鎢（化學式WC），熔點2870℃，沸點6000℃，密度15.6g/cm3，莫氏硬度8.5~9，為電、熱的良好導體。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，本文提出了復合電鍍技術制作鎳基硬質顆粒-金剛石復合鍍層，即選用碳化鎢硬質顆粒作為增強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·實驗

    實驗采用改良型瓦特鍍鎳液，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。

    實驗在恒溫水浴中進行，在鍍液中加入一定量的平均粒徑75μm的WC顆粒，采用機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和電沉積時間Δt=4h下，進行恒電流電鍍。陰極為1.5cm×1.0cm薄銅片，其非工作面絕緣。復合鍍層中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間得到的。

    2·實驗結果和討論

    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，實驗結果如圖1所示。

    在陰極電流密度較小時，隨著電流密度的增大，陰極過電位增高，加快了基質金屬鎳的沉積速度，縮短了WC顆粒嵌入鍍層所需時間，單位時間嵌入鍍層的WC顆粒增多，復合鍍層中WC顆粒含量增多，電流密度為35mA/cm2時達到最大值。當陰極電流密度從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增大，WC顆粒嵌入鍍層速度的提高，趕不上基質金屬鎳沉積速度的提高，導致復合鍍層中WC顆粒含量減少。

    由于鎳離子的沉積速度決定了復合鍍層的沉積速率，因此隨著陰極電流密度的增大，復合鍍層的沉積速率也就加快。但是，通過肉眼觀察復合鍍層表面形態發現，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，實驗結果如圖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動，單位時間內通過機械攪拌運動到陰極表面的WC顆粒和鎳離子數量增多，因此復合鍍層中WC顆粒含量也就相應增多。當鍍液溫度超過35℃后繼續升溫，鍍液粘度將降低，使得WC顆粒對陰極表面的粘附力下降，導致復合鍍層中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，鎳離子的熱運動加強，促進了基質金屬鎳的電沉積，因此，復合鍍層的沉積速率也就加快。但是，鍍液溫度越高，鍍液揮發越嚴重，鍍液的質量和穩定性下降。實驗發現，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，實驗結果如圖3所示。

       碳化鎢是電的良好導體，當其到達陰極表面后，金屬鎳基質可直接沉積在其表面，使WC顆粒比較容易地被埋入復合鍍層中。因此，鍍液中WC顆粒懸浮量越大，則在單位時間內通過機械攪拌送到陰極表面的WC顆粒數量越多，WC顆粒被嵌入鍍層的幾率也就越大。當顆粒懸浮量達到8g/L時，鍍層中的WC含量達到最大值。隨著顆粒懸浮量繼續增加，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，故達到陰極表面的WC顆粒數量越多，析氫量越大，金屬鎳的沉積量越少。同時，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，復合鍍層中的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，從而復合鍍層沉積速率加快。當顆粒懸浮量超過6g/L后再繼續增加時，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沉積的有效鎳離子數量減少，由于鎳離子的沉積速度決定了復合鍍層的沉積速率，并且鍍液中WC顆粒的沖刷作用，都將導致復合鍍層總沉積量減少，表現為復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。預鍍后暫停攪拌，將金剛石（45/50目，SDD9060/9080型）采用滴管均勻撒到朝上的施鍍面上，經一定時間后，卸去未被粘結的金剛石，再啟動攪拌，直至金剛石顆粒完全被包裹。再重復一次，進行第二層金剛石的復合鍍。