孫仲鳴 楊洋 楊凱華 （中國地質大學，武漢）
摘要：
國內採用鎳-鐵合金作為電鍍金剛石鑽頭的胎體材料仍處於試驗研究中。本文詳細介紹了鎳-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量的影響，採用正交回歸試驗設計方法對胎體成分與性能間的變化規律進行了試驗研究。結果表明鎳-鐵合金鍍層是電鍍金剛石鑽頭的較理想的胎體材料。通過調整鍍液成分及其含量和改變工藝參數，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鑽頭的要求。依據研究結果試製了2個鑽頭，進行了室內實鑽試驗，在8~9級正長花崗巖中鑽進，平均時效達到1.87 m/h，鑽頭平均壽命達到45.9 m，取得了較好的鑽進效果。
關鍵詞：
鎳-鐵合金；電鍍；金剛石鑽頭
普通電鍍鎳溶液中鐵是有害雜質。但是，試驗研究中發現，電鍍中鎳與鐵並不是不相容的，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-鐵合金電鍍已經得到應用，鎳-鐵合金鍍層中含鐵量可達15%~35%（質量分數，下同），以廉價的鐵代替鎳，可降低成本。鎳-鐵合金鍍層的性能便於調整，通過調整鍍液中鐵的含量,可以調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。
在我國電鍍金剛石鑽頭已有40餘年的歷史，採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，生產現實需要研究新的胎體材料，研製出新性能的電鍍金剛石鑽頭。試驗研究表明，鎳-鐵合金的性能能夠滿足金剛石鑽頭的鑽進要求。
電鍍鎳-鐵合金多用作防護與裝飾性鍍層，用作金剛石工具的胎體材料很少，但是，不管鍍層作為什麼用途，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。在研究防護與裝飾性電鍍層的基礎上，提出了鎳-鐵鍍層的基本成分與工藝，進行電鍍金剛石鑽頭胎體材料的試驗研究。
1.1.1 鍍液主鹽
電鍍鎳-鐵合金多採用硫酸鹽鍍液，其主鹽多採用硫酸鎳，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+ ）的主鹽採用硫酸亞鐵，亞鐵離子含量應依硫酸鎳含量而有所不同，基本控制在18~26 g/L範圍。
鎳-鐵合金的析出屬於異常共沉積，儘管鐵離子在合金鍍液中的電極電位比鎳還要負200mV，而且即使鍍液中鐵離子的濃度很低，鐵仍然會優先析出。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-鐵合金鍍層的關鍵。
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電性能和覆蓋能力，降低槽電壓，節約能耗。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，加量的範圍為20~30 g/L。氯化鈉中的鈉離子濃度過高也會增加鍍層的應力。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節pH值。
1.1.3 硼酸
在所有鍍鎳溶液中，硼酸是良好的緩衝劑。溶液在電鍍過程中氫離子因放電而消耗，導致溶液的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，穩定陰極膜中的pH值，防止產生氫氧化鎳和氫氧化鐵。
硼酸一般用量在35~40 g/L比較合適，受溶解度的限制用量不宜過高；但當含量低於30 g/L時，硼酸的緩衝作用就不明顯了。當硼酸含量過高時，在非工作時間，要保持溶液有較高的溫度，以免硼酸結晶析出，否則下次使用時又需加熱。
1.1.4 穩定劑
穩定劑是鎳-鐵合金鍍液中不可缺少的成分。穩定劑的作用是防止亞鐵離子被氧化成三價鐵離子而沉澱，影響鍍層質量。所用穩定劑是與鐵有絡合作用的物質，在Fe2+被絡合後具有防止其被氧化成Fe3+的效果。
在電鍍鎳-鐵合金中，能與Fe2+絡合的物質比較多，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定劑。由於檸檬酸離子的絡合原理和絡合形式，在合金鍍液中十分穩定，即使溶液的pH值高達5以上，也可以保持鍍液的穩定，這在生產實踐中已得到證實。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範圍內相當緩慢。只要用活性碳定期處理，即可消除其影響 。
檸檬酸鈉是三價鐵的絡合劑，它可以防止產生氫氧化鐵沉澱。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，一般控制在20~30 g/L。
圖1 檸檬酸鹽含量對鐵含量的影響
1.2.1 鍍液酸鹼度的影響
實踐表明，電鍍鎳-鐵合金鍍液的酸鹼度（pH值）應控制在3.2~4.0範圍，以3.5為佳。在電鍍過程中，在此範圍內，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pH值上升到4.0時，就應該調整pH值到要求範圍，以確保鍍層質量，如圖2所示。
圖2 鍍液pH值對鍍層含鐵量的影響
pH值過高（如超過4.0）時，Fe2+易於氧化成Fe3+，鍍液中就會出現氫氧化鐵Fe(OH)3的沉澱，夾雜在合金鍍層中，導致鍍層惡化，延展性差，脆性增加，平整度下降，出現毛刺。因此pH值最好控制在3.2~3.8。
1.2.2 陰極電流密度的影響
試驗表明，陰極電流密度的最佳值在2~4 A/dm2，適當高的陰極電流密度能提高鍍層的光亮度、整平性和加快沉積速度。陰極電流密度過高時，易使鍍層燒焦，使鍍液pH值變化快。陰極電流密度低時，鍍層的光亮度不足，整平性下降。
試驗表明，電流密度在0~2 A/dm2 範圍內，隨著電流密度增加，鍍層中鐵含量由20%逐漸增加至24%。當電流密度超過2.0A/dm2 後，隨著電流密度增加，鍍層中鐵含量逐漸下降。在電流密度為3~4 A/dm2 時，可以獲得含鐵量20%的鎳-鐵合金鍍層。而電流密度2~3 A/dm2 正是電鍍金剛石鑽頭常採用的電流密度的範圍，可以獲得含鐵量較高的鎳-鐵合金鍍層，所以，電流密度是調整鍍層中鎳與鐵含量比的參數之一。
圖3 電流密度對鍍層含鐵量的影響
1.2.3 溫度的影響
電鍍鎳-鐵合金與電鍍其它鎳合金一樣，溫度參數很重要，它不僅影響鎳合金中成分的含量比，同時它可以降低電流密度增大時帶來的極化過大的不利影響。試驗表明，鍍液溫度對鍍層中含鐵量影響明顯，不同含鐵量的鍍層，其力學性能是不同的。因此，控制鍍液溫度的高低一定要與鍍層的性能相聯繫。電鍍金剛石鑽頭時，鍍液溫度應該控制在30~40e較合適。溫度過高時，會促使穩定劑加速分解，產生有害降解物。溫度過低時，鍍層將失去光澤，陰極電流效率下降，整平度降低；溫度過低還會在高電流密度區出現燒焦現象，鍍層應力增加，整平性能也下降。
1.2.4 陽極
電鍍鎳-鐵合金中，最好使用鎳-鐵合金陽極。使用合金陽極操作方便，不需要其他輔助設備，缺點是不容易控制鍍液中主鹽離子的濃度比。但採用鎳-鐵合金陽極可使溶液中鎳-鐵離子含量相對穩定。
電鍍中要準確控制主鹽濃度比，應該採用混裝陽極。在採用混裝陽極時，要防止鐵的過量溶解。因為鐵陽極的溶解性要好於鎳，這時只能減少鐵陽極的面積。當要求鍍層的含鐵量為20%~30%時，鎳陽極和鐵陽極的面積比以(7~8)B1為好。
為了得到滿意的鍍層，陽極應採用高純度的鐵，最好單獨裝在鈦藍子中，並用雙層聚丙烯織物包紮，以免陽極泥渣進入鍍液中。要隨時注意鐵陽極的溶解情況。兩種陽極的電流密度雖可以不單獨控制，但要保證有8%~12%的電流通過鐵陽極。
鎳陽極最好採用電解鎳板，保持陽極面積與陰極面積之比為2B1。
電鍍金剛石鑽頭胎體成分與性能的試驗研究方法有正交回歸試驗設計方法、配方均勻設計方法等。從上述電鍍鎳-鐵合金的基本鍍液成分分析可知，對鎳-鐵鍍層性能產生直接而主要影響的成分是硫酸鎳、硫酸亞鐵和檸檬酸鈉的含量。同時，電鍍工藝對鍍層性能也會產生影響，但都有一個優值的範圍，可以不作為因素納入試驗研究中。因此，本研究只對硫酸鎳、硫酸亞鐵和檸檬酸鈉的含量進行正交回歸試驗設計，找出硫酸鎳、硫酸亞鐵和檸檬酸鈉含量變化對鎳-鐵鍍層性能的影響規律。
依據上面的分析，試驗中硫酸鎳的含量取200~240 g/L,硫酸亞鐵的含量取18~24 g/L,檸檬酸鈉的含量取20~30 g/L。按照L9(34 )正交試驗設計表（表1）安排9次試驗，每次試驗電鍍兩個樣品，共得出了18個鎳-鐵合金鍍層的樣品，並對這18個樣品進行硬度與耐磨性測試，對每組的兩個測試值取平均值作為一組的試驗指標。測出的硬度值與耐磨性見表1。對測試的硬度與耐磨性值進行了數據分析，得出隨鍍液成分改變影響硬度與耐磨性的變化規律見圖1。
表1 L9(34 ) 正交試驗設計表
從圖4的曲線可以看出，鍍層的硬度與耐磨性的對應性比較好，即硬度高的鍍層所對應的耐磨性也高（即磨損量低），這說明電鍍的胎體是一種合金，在硬度與耐磨性上基本相一致。
圖4 試樣鍍層的硬度與耐磨性
從表1看出，硫酸鎳所對應的R值最大，說明硫酸鎳的影響最大；檸檬酸鈉的R值次之，它的影響比較大；硫酸亞鐵的R值最小，它對鍍層性能的影響最小。鍍液的pH值影響比較大，當pH值為3.5時，所對應的鍍層性能比較好，這和其他資料中所研究的結果基本一致。
從表1的試驗組合結果可見，硬度（Hv）指標值在376~452之間，耐磨性在388~482mg之間。這樣的性能指標都能滿足電鍍金剛石鑽頭的胎體性能要求，也就是說，在試驗的條件下，表1中的9種組合都能用於電鍍金剛石鑽頭，只是不同的組合所具有的性能不同，所適應的巖層不同。
2.2.1 鑽頭試製
由上述試驗可知，試驗組合6號所對應的鍍層的硬度最高，耐磨性最強。這就意味著這組配方與工藝所電鍍出的鑽頭硬度高、耐磨性強。按照6號配方與工藝電鍍出的金剛石鑽頭，可以鑽進硬度較高與研磨性較強的巖石。
試製鑽頭所對應的工藝參數為：鍍液溫度控制在40e，電流密度控制在1.8 A/dm2 。試製了兩隻<42/27mm鑽頭，供室內鑽進試驗，其外部形貌見圖5所示。
圖5 試製的電鍍鎳-鐵金剛石鑽頭
2.2.2 鑽頭試驗與結果分析
從室內鑽進效果可知，鑽進時效達到1.87 m/h， 從鑽頭的磨損預計鑽頭壽命能達到46m，這是一個比較滿意的試驗研究結果。試驗表明鎳-鐵合金鍍層是一種新的胎體材料，電鍍鎳-鐵金剛石鑽頭是一種新性能的電鍍金剛石鑽頭，很有發展前景。目前已經開始進行生產性試驗。
鎳-鐵合金鍍層的硬度較高，耐磨性也較好，接近鎳-鈷合金的性能，優於鎳-錳胎體的性能。其原因是鎳-鐵屬同族元素，鎳-鐵合金的性能優異，對金剛石的潤溼性好於其它鎳合金。
（1）採用正交回歸試驗設計方法研究鍍液成分改變對鍍層性能的影響規律，是一種簡便而可行的試驗研究方法，是宏觀控制鍍層性能的一種先進的方法。
（2）實驗室的試驗結果表明，電鍍鎳-鐵合金完全可以作為電鍍金剛石鑽頭的胎體材料，電鍍鎳-鐵胎體金剛石鑽頭可以用於鑽探生產中。
（3）電鍍鎳-鐵合金胎體金剛石鑽頭的成本明顯下降；胎體合金中鎳與鐵的含量可以通過改變鍍液中主鹽的含量比與電鍍工藝來實現，可以獲得不同性能的鎳-鐵合金胎體，適應不同巖層的鑽進要求。
（4）該試驗研究主要在室內進行，有必要加強生產性試驗與研究，完善鍍液配方與電鍍工藝，使電鍍鎳-鐵胎體金剛石鑽頭成為一種有競爭能力的鑽頭。
整理自《金剛石與磨料磨具工程》