镍-铁合金电镀：降低成本、提升性能的新选择

镍-铁合金电镀：降低成本、提升性能的新选择

铁是普通镀镍液中的有害杂质。但经实验研究发现，镍与铁在电镀中并不是不相容的，在一定的工艺条件下，加入一定的添加剂，即可得到效果良好的镍铁合金镀层。从资料得知，镍铁合金电镀已得到应用，镍铁合金镀层中铁含量可达15%~35%(质量分数，下同)。用廉价的铁代替镍，可以降低成本。镍铁合金镀层的性能易于调整，通过调整镀液中的铁含量，即可调整镀层的硬度和耐磨性；随着镀层中铁含量的增加，镍铁合金的硬度和耐磨性也相应提高。我国电镀金刚石钻头已有40多年的历史，最常用的胎体材料是镍钴合金和镍锰合金，它们的性能似乎有些单一，镍钴合金的成本相对较高。生产现实要求研究新的胎体材料，开发具有新性能的电镀金刚石钻头，试验研究表明，镍铁合金的性能可以满足金刚石钻头的钻进要求。

1 实验研究设计

电镀镍铁合金多用作保护性和装饰性镀层，很少用作金刚石工具胎体材料。但无论何种用途的镀层，镀层性能都有差异。镀镍铁合金所需的镀液组成和电镀工艺基本相同。本文在对保护性和装饰性镀层研究的基础上，提出了镍铁镀层的基本组成和工艺，并进行了电镀金刚石钻头胎体材料的试验研究。

1.1 镀液组成

1.1.1镀液主盐

镍铁合金电镀多采用硫酸盐镀液，其主盐多为硫酸镍。含量一般较光亮镍镀液低，一般为220~240g/L；提供亚铁离子（Fe2+）的主要盐为硫酸亚铁。亚铁离子含量应根据硫酸镍含量而变化，基本控制在18~26g/L范围内。

镍铁合金的析出是一种异常共沉积，虽然合金镀液中铁离子的电极电位比镍的电极电位负200mV，而且即使镀液中铁离子的浓度很低，铁仍然会先析出。可见实际电镀中控制镀液中铁离子的浓度是获得镍铁合金镀层的关键。

1.1.2 氯化钠

氯化钠主要为镀液提供氯离子。氯离子能促进阳极活化，防止阳极镍钝化，保持镀液中镍离子和铁离子正常溶解。氯离子含量过高，会造成镍离子浓度升高，失去正常的镍铁比。氯化钠中的钠离子能提高镀液的导电性和覆盖能力，降低槽电压，节省能源。在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要高，添加范围为20~30g/L。氯化钠中钠离子浓度过高也会使镀层应力增大，为避免因长期添加氯化钠而造成钠离子的积累，可在氯离子不足时改用氯化镍；或者调节pH值时可以用盐酸代替硫酸，但氯离子含量较高时不能用盐酸调节pH值。

1.1.3 硼酸

硼酸在所有镀镍溶液中都是很好的缓冲剂，在电镀过程中，由于放电作用，氢离子被消耗，导致溶液的pH值上升，此时硼酸中的氢就会游离出来，补充溶液中氢离子的不足，稳定阴极膜中的pH值，阻止氢氧化镍和氢氧化铁的生成。

硼酸的一般用量为35-40g/L，由于溶解度的限制，用量不宜过高；但含量低于30g/L时，硼酸的缓冲作用不明显。硼酸含量过高时，非工作时间应保持溶液处于较高的温度，防止硼酸结晶，否则下次使用时需再次加热。

1.1.4 稳定器

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氧化为三价铁离子而析出，影响镀层质量。所用的稳定剂是与铁有络合作用的物质，络合后有防止Fe2+氧化为Fe3+的作用。

在镍铁合金电镀中，能与Fe2+络合的物质很多，如柠檬酸、酒石酸、葡萄糖、抗坏血酸等，其中柠檬酸钠（·2H2O）是镍铁合金电镀中最常用的稳定剂。由于柠檬酸根离子的络合原理和络合形式，它在合金镀液中很稳定，即使溶液pH值高达5以上，也能保持镀液的稳定性，这在生产实践中已得到证实。但在电镀过程中，特别是阳极钝化或阳极电流密度过大、温度过高时，也会分解成草酸，与镀液中的金属离子生成不溶性的铁（镍）草酸盐，造成镀层粗糙、有毛刺；这种降解作用在一般工艺范围内是相当缓慢的。只要定期用活性炭处理，就可以消除其影响。

柠檬酸钠是三价铁的络合剂，能阻止氢氧化铁的沉淀。随着柠檬酸钠含量的增加，涂层中的铁含量会降低。柠檬酸钠含量过高会影响涂层的流平性，因此应适当控制其含量，一般控制在20~30g/L。

1.2 电镀工艺条件

1.2.1镀液pH值的影响

实践表明，电镀镍铁合金镀液的pH值应控制在3.2～4​​.0范围内，最好为3.5。电镀过程中，在此范围内，可获得光亮、平整、延展性好的镍铁镀层。但在电镀过程中，由于氢离子不断析出，pH值会逐渐升高；当pH值升至4.0时，应将pH值调节至要求的范围，以保证镀层质量。

pH值过高（如超过4.0）时，Fe2+易氧化为Fe3+，镀液中会出现氢氧化铁Fe(OH)3的沉淀，混入合金镀层中，导致镀层劣化，延展性差，脆性增加，平整度下降，产生毛刺。因此，pH值最好控制在3.2~3.8。

所以在选择金刚石钻头电镀电源的时候一定要注意，根据你的工艺要求，如果想得到镍铁含量均衡的合金层，可以选择单段高频脉冲电源，如果想得到组织复查各层镍铁含量不均匀的合金层，可以选择多段高频脉冲电源，在不同的时间段设定不同的电压、电流，从而改变电流密度，便可以在不同的时间段得到镍铁成分不同的合金层，选择多段高频脉冲电源就可以了。

1.2.2 阴极电流密度的影响

试验表明，阴极电流密度的最佳值为2~4A/dm2，适当增大阴极电流密度，可提高镀层的光亮度、整平性和沉积速度；阴极电流密度过大，镀层易烧损，镀液pH值变化剧烈；阴极电流密度过小，镀层光亮度不足，整平性下降。

试验表明，当电流密度在0~2A/dm2范围内时，随着电流密度的增加，镀层中铁含量由20%逐渐增加到24%。当电流密度超过2.0A/dm2时，随着电流密度的增加，镀层中铁含量逐渐降低。当电流密度为3~4A/dm2时，可得到铁含量为20%的镍铁合金镀层。2~3A/dm2的电流密度恰好是电镀金刚石钻头常用的电流密度范围，可得到铁含量较高的镍铁合金镀层。因此，电流密度是调节镀层中镍铁含量比的参数之一。

1.2.3 温度的影响

电镀镍铁合金与电镀其它镍合金一样，温度参数很重要，它不但影响镍合金中各成分的含量配比，而且可以减少电流密度增加时极化过度的不利影响。实验表明，镀液温度对镀层中铁含量有明显的影响，不同铁含量的镀层力学性能不同。因此，镀液温度的控制必须与镀层的性能挂钩。电镀金刚石钻头时，镀液温度应控制在30~40℃。温度过高，稳定剂会加速分解，产生有害的降解产物；温度过低，镀层失去光泽，阴极电流效率下降，整平度下降；温度过低，在高电流密度区会产生焦烧，镀层应力增大，整平性能也会下降。

1.2.4 阳极

在电镀镍铁合金时，最好采用镍铁合金阳极。

合金阳极操作简便，不需要其它辅助设备，缺点​​是不易控制镀液中主盐离子的浓度比例，但采用镍铁合金阳极可使溶液中镍铁离子含量比较稳定。

电镀时应准确控制主盐浓度比，选用混合阳极。使用混合阳极时应防止铁的过度溶解。由于铁阳极的溶解性比镍好，因此只能减小铁阳极的面积。当要求镀层含铁量为20%~30%时，镍阳极与铁阳极的面积比最好为（7~8）：1。

为了获得满意的镀层，阳极应采用高纯度的铁制成，最好放在钛蓝中，并用双层聚丙烯织物包裹，以防止阳极污泥进入镀液中。要随时注意铁阳极的溶解情况。虽然两个阳极的电流密度不需要分别控制，但必须保证8%～12%的电流通过铁阳极。

镍阳极优选采用电解镍板，阳极面积与阴极面积之比保持为2:1。

2 电镀镍铁合金试验研究

2.1 测试方法

针对电镀金刚石钻头胎体的成分与性能的试验研究方法有正交回归试验设计法、均匀配方设计法等。从以上对电镀镍铁合金基本镀液成分的分析可以看出，对镍铁镀层性能有直接且主要影响的成分是硫酸镍、硫酸亚铁和柠檬酸钠的含量。同时，电镀工艺也会对镀层性能产生影响，但存在一定范围的优劣，可以将其作为试验研究中的因素排除。因此，本研究仅对硫酸镍、硫酸亚铁和柠檬酸钠的含量进行正交回归试验设计，探寻硫酸镍、硫酸亚铁和柠檬酸钠含量的变化对镍铁镀层性能的影响。

根据以上分析，试验中硫酸镍含量为200~240g/L，硫酸亚铁含量为18~24g/L，柠檬酸钠含量为20~30g/L。按照L9（34）正交试验设计表（表1）安排9个试验，每个试验电镀2个样品，共获得18个镍铁合金镀层样品，对这18个样品进行硬度和耐磨性测试，取每组2个测试值的平均值作为一组的测试指标。测得的硬度值和耐磨性如表1所示。对各试验的硬度值和耐磨性值进行数据分析，得到了镀液成分变化对硬度和耐磨性的影响变化规律。

从表1可以看出，硫酸镍对应的R值最大，说明硫酸镍的影响最大；柠檬酸钠的R值次之，其影响也较大；硫酸亚铁的R值最小，其对镀层性能的影响最小。镀液的pH值影响较大，当pH值为3.5时，对应的镀层性能相对较好，这与在其他材料中研究的结果基本一致。

从表1的试验组合结果可以看出，硬度（Hv）指标值在376~452之间，耐磨性在388~482mg之间。这样的性能指标可以满足电镀金刚石钻头胎体的性能要求，也就是说，在试验条件下，表1中的9种组合都可以用于电镀金刚石钻头，但不同的组合具有不同的性能，适用于不同的岩层。

2.2 电镀镍铁基体钻头试验

2.2.1钻头试制

从以上试验可以看出，试验组合6号对应的镀层硬度最高，耐磨性最强，也就是说，采用该组配方和工艺电镀的钻头硬度高，耐磨性强，按照6号配方和工艺电镀的金刚石钻头，可以钻进硬度更高，研磨性更强的岩石。

试制钻头对应的工艺参数为：镀液温度控制在40℃，电流密度控制在1.8A/dm2。试制两支42/27mm钻头，进行室内钻孔试验。

2.2.2 钻头试验及结果分析

从室内钻进结果可以看出，钻进时间达到1.87m/h，从钻头磨损情况估算，钻头寿命可达46m，这是一个比较满意的试验研究结果。试验表明，镍铁合金镀层是一种新型胎体材料，电镀镍铁金刚石钻头是一种具有较大发展前景的新型性能电镀金刚石钻头，目前已开始进行生产试验。

镍铁合金镀层的硬度较高，耐磨性也较好，接近镍钴合金的性能而优于镍锰基体的性能。其原因是镍与铁属于同一族元素，镍铁合金的性能优良，对金刚石的润湿性优于其他镍合金。

3 结论

（1）采用正交回归实验设计方法研究镀液成分变化对镀层性能的影响，是一种简便易行的实验研究方法，也是宏观调控镀层性能的先进方法。

(2)室内试验结果表明:电镀镍铁合金可以作为电镀金刚石钻头的胎体材料,电镀镍铁胎体金刚石钻头可用于钻井生产。

（3）电镀镍铁合金胎体的金刚石钻头成本明显降低。通过改变镀液中主盐的含量配比和电镀工艺，可以实现胎体合金中镍和铁的含量，从而得到不同性能的镍铁合金胎体，以满足不同岩层的钻进要求。

（4）本次试验研究主要在室内进行，需加强生产试验研究，改进镀液配方和电镀工艺，使电镀镍铁胎体金刚石钻头成为具有市场竞争力的钻头。（孙忠明1杨阳2杨开华3中国地质大学，武汉）