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當(dāng)前位置：首頁(yè) > 新聞信息- 稀土對(duì)提高電鍍金剛石鉆頭性能的研究
- 錄入時(shí)間: 2015/3/2
摘要：近數(shù)十年來(lái)金剛石工具的制造工藝有了很大的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，已在地質(zhì)勘探、石油開(kāi)采、建筑材料加工、寶玉石加工、醫(yī)療保健、塑料制品模具制造等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在眾多的金剛石工具制造方法中，電鍍法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在探索和研究不用高溫制造金剛石工具的方法方面是最有前途的方向之一。作為一種重要的電鍍金剛石工具，電鍍金剛石鉆頭已經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，其制造水平有了很大的提高，但還存在著許多問(wèn)題，如金剛石鉆頭生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量不甚穩(wěn)定、適應(yīng)范圍窄等。通過(guò)從配方到工藝的研究獲得快速電鍍金剛石鉆頭的研究成果，提高鉆頭的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，以滿(mǎn)足不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)需求，是一件迫切而有意義的事情。電鍍金剛石鉆頭一般采用金屬鎳或鎳鈷合金作為胎體材料。雖然在表面工程中鍍鎳已進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，但金剛石鉆頭所要求的鍍液和鍍層的性能與這些表面工程領(lǐng)域研究的鍍液和鍍層的性能有著很大的差別。因此，在電鍍金剛石鉆頭制造工藝研究中，需要更多有針對(duì)性的研究。
稀土元素獨(dú)特的4f層電子結(jié)構(gòu)使得稀土金屬或合金具有獨(dú)特的功能，稀土材料是材料科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱門(mén)研究課題。在電鍍方面，稀土已在鍍鉻、鍍錫等鍍種中獲得了成功的工業(yè)應(yīng)用，但到目前為止稀土在鍍鎳中的應(yīng)用報(bào)道還很少，而有關(guān)稀土對(duì)鍍層機(jī)械性能影響及其在電鍍金剛石工具方面的應(yīng)用的報(bào)道還沒(méi)有。本文的目的是借鑒稀土在電鍍中的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，把稀土引入電鍍金剛石鉆頭的制造中，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析獲得電鍍金剛石鉆頭的最佳電鍍工藝條件，以解決當(dāng)前電鍍金剛石鉆頭中存在的問(wèn)題，達(dá)到電鍍金剛石鉆頭的快速、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。通過(guò)分析，選擇稀土添加量、鍍液硫酸鈷含量、溫度、電流密度、鍍液pH為影響鍍層和鍍液性能的因素，每個(gè)因素各研究了四個(gè)水平，試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)方法安排。 在電鍍中，金屬鍍層的性能是由鍍液組成及電鍍工藝參數(shù)決定的。作為金剛石鉆頭的胎體材料，鍍層所應(yīng)具備的性能與表面工程中要求的鍍層性能既有相同的一面，又有其特殊的一面，從而對(duì)鍍液性能的要求也就不同。分析認(rèn)為，用于制造金剛石鉆頭的鍍液要具有良好的分散能力，深鍍能力的要求則可以稍低，而在鍍液穩(wěn)定性、電流效率、腐蝕性等方面的要求則是與表面工程一致的。
在鍍液性能方面，本文主要考慮了鍍液分散能力、深鍍能力、電流效率等指標(biāo)。分散能力采用遠(yuǎn)近陰極法測(cè)定。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，鍍鎳液的分散能力隨稀土添加量的增加而升高。與基本鍍液(分散能力為-7.7%)相比，添加稀土的鍍鎳液的分散能力有很大的改善，可克服普通鍍鎳液分散能力差的不足。溫度對(duì)鍍鎳液的分散能力也有較大的影響。隨著鍍液溫度的升高，鍍液的分散能力也逐漸提高。這可能與溫度升高使鍍液的導(dǎo)電能力提高有關(guān)。深鍍能力采用內(nèi)孔法測(cè)定。添加稀土后，鍍液深鍍能力下降。鍍液的pH值對(duì)深鍍能力有很大的影響，pH值從3升高到4.5時(shí)，深鍍能力提高了31.6%。當(dāng)pH 值低于4.0時(shí)，pH的影響尤其明顯。硫酸鈷的加入對(duì)深鍍能力也有一定的提高作用，而溫度對(duì)鍍液的深鍍能力有一定的降低作用。這些因素對(duì)鍍鎳液深鍍能力和分 WP=6 散能力的影響可以從鎳的沉積機(jī)理——金屬羥合絡(luò)離子假說(shuō)來(lái)解釋。鍍液的電流效率通過(guò)比較各空白鍍液中氫析出的極化曲線評(píng)定。鍍液底液中氫在玻碳電極上析出的極化曲線表明，隨著底液中稀土濃度的升高，氫的析出電流降低。因此，稀土元素的加入有抑制析氫反應(yīng)的作用，從而可提高鍍液的電流效率。
本文認(rèn)為，稀土對(duì)鍍液性能的影響可能與電沉積過(guò)程中陰極附近pH值升高而導(dǎo)致的稀土陽(yáng)離子水解有關(guān)。稀土陽(yáng)離子的水解對(duì)陰極的局部pH起到了一定的緩沖作用，減少了鎳的水解;稀土陽(yáng)離子的水解產(chǎn)物在陰極的吸附則有一定的增加陰極極化作用。 鍍液的循環(huán)伏安曲線表明，稀土的加入沒(méi)有改變鎳電結(jié)晶時(shí)的極化類(lèi)型，即本體沉積時(shí)陰極過(guò)程由電荷傳遞步驟控制，異相沉積時(shí)由成核步驟控制。初始電位為-0. 5V、階躍電位在-0.85～-1.05V vs. S.C.E之間的單電位階躍實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，稀土的加入也沒(méi)有改變鎳電結(jié)晶的成核形式和生長(zhǎng)方式，電結(jié)晶仍按瞬時(shí)成核和三維生長(zhǎng)方式進(jìn)行，但稀土可以促進(jìn)鍍層在垂直于基體方向上的生長(zhǎng)速度。 鍍層機(jī)械性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到鍍層的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用范圍，因此在鍍層的開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試，以確定合理的工藝條件。由于工作條件和作用不同，作為鉆頭胎體材料的鍍層應(yīng)具備的性能也與普通鍍層不同。
本文通過(guò)分析，選擇鍍層硬度、耐磨性、鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力和孔隙率等性能作為研究指標(biāo)，也對(duì)鍍層的物相、成分、表面形貌及鍍層對(duì)金剛石的包鑲進(jìn)行了研究。 鍍層的硬度采用顯微壓入硬度法測(cè)定。結(jié)果表明，隨著硫酸鈷加量的增加，鍍層的硬度有很大的提高，但當(dāng)硫酸鈷添加量超過(guò)10g/L時(shí)，鍍層硬度基本上維持不變。硬度增大的原因是加入的鈷離子能和鎳離子在陰極共沉積，形成了鎳鈷固溶體。