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

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[1]。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[3]。

    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,节约能耗。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节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值上升,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[3]。

    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值上升到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。