鎢合金電鍍工藝

腐蝕與磨損是石油鉆井設(shè)備和采油設(shè)備在礦場應(yīng)用中碰到的兩大難題。為了延長油管抽油桿的使用壽命，必須提高油管抽油桿的耐磨和防腐性能。通過鎢基合金電鍍技術(shù)，生產(chǎn)出的鍍滲鎢基合金防腐耐磨油管抽油桿對解決磨損與腐蝕這兩個難題具有顯著效果。它具有以下優(yōu)點：鍍層的耐磨、耐蝕方面具有很好的綜合性能；鍍層均勻；物料利用率高，能耗和水耗比較低；沒有污染。

鎢合金電鍍工藝，在鍍層成份上有所創(chuàng)新，可以獲得韌性好的厚鍍層。該項技術(shù)的主要特點是：

1、克服了現(xiàn)有鍍鉻工藝Cr6 對環(huán)境的嚴(yán)重污染。

2、在硬度、耐磨耐蝕等主要性能上優(yōu)于鍍鉻。

3、物料利用率高，生產(chǎn)成本較低。

4、可以充分利用現(xiàn)有的鍍鉻工藝設(shè)備，改造工程小。

5、鍍層持久使用壽命長。

國家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測和用戶使用表明，鍍件耐磨性好，硬度高，使用壽命有所提高，可加工性好，耐磨蝕好。鎢基合金的各項性能指標(biāo)相當(dāng)于或優(yōu)于硬鉻鍍層：顯微硬度：使用儀器Hvs-1000型維氏硬度計測出所鍍鍍層的維氏硬度為Hv=600～1300Hv，維氏硬度的變化直接與鍍層的組分有關(guān)系。耐蝕性：將鍍片分別浸入5%的鹽酸、5%的氫氧化鈉中測得其耐腐蝕性，結(jié)果表明在5%的鹽酸中浸泡72小時，鍍層表面形成藍(lán)色保護(hù)膜后，阻止了腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生；在5%的氫氧化鈉中浸泡72小時，鍍層完好無損。鍍厚能力：鍍厚能力可達(dá)0.3mm。

鍍層與基底結(jié)合力：通過對不同的基底材料進(jìn)行合適的前處理，可以得到鍍層與基底材料結(jié)合力很好的鍍層?；撞牧闲螤睿嚎稍诟鞣N基底材料上得到合格的鍍層。該項工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

鎢合金電鍍是兼顧耐磨與防腐雙重性能的新型電鍍，工藝環(huán)保，對操作人員無傷害，生產(chǎn)效率高，近年逐漸獲得了機(jī)械行業(yè)的注目。從某高校研究室開始推廣，到如今被列入國家“十二五”發(fā)展推廣項目，鎢合金多元電鍍的應(yīng)用經(jīng)過了十幾年的歷程，起初其用以替代裝飾性套鉻，但在試用此技術(shù)時發(fā)現(xiàn)加工出的產(chǎn)品更適合用于功能性電鍍。鎢合金電鍍首先應(yīng)用于液壓設(shè)備和石油機(jī)械，后逐步擴(kuò)展到其他行業(yè)。一開始的問題就是如何從實驗室走向大規(guī)模生產(chǎn)，如何從配方走向應(yīng)用，這是一個長期的磨合過程。

要詳細(xì)說明整個鎢合金的生產(chǎn)工藝，必須從配方說起。在市場上推廣的配方中較普遍的是“鎳鎢磷”，該配方控制簡單，溶液穩(wěn)定，滿足環(huán)保的高要求，因此一開始多用該配方對各行業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行實驗性加工。最初認(rèn)為“鐵鎳鎢”配方較耐磨，當(dāng)某些應(yīng)用條件下鎳鎢磷的性能難以滿足產(chǎn)品要求時，多以此鍍種替代?！版囨u”或“堿性鎳鎢磷”在內(nèi)壁加工中應(yīng)用較多，優(yōu)點是分散能力高于其他，但在維護(hù)上還有一定的技術(shù)難度，應(yīng)用并不廣泛。除此之外，還有人做出了鎳鎢銅、鎳鎢鎂等，可見調(diào)制配方難度并不大。配方的可持續(xù)性和穩(wěn)定性以及維護(hù)和控制難度，決定了這些配方在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

鐵鎳鎢

配方由硫酸鎳、鎢酸鈉、硫酸亞鐵及配位劑組成，溫度70~75°C，pH7.0~7.5。先加入硫酸鎳，溶解后溶入對應(yīng)的配位劑，再倒入加了適量還原劑的硫酸亞鐵溶液，然后倒入配有另一種相應(yīng)配位劑的鎢酸鈉溶液，加入所需光亮劑和低泡潤濕劑，最后定容得到鍍液。

在做燒杯實驗時，2L溶液連續(xù)工作72h，持續(xù)添加相應(yīng)消耗量的金屬，加工出的試驗件在性能上無變化，但在存放后出現(xiàn)白色沉淀，疑為三價鐵、鎢酸鈉和配位劑生成的化合物。此配方的難度在于控制三價鐵。燒杯的口徑較小，溶液與空氣的接觸面小，相對于2L溶液而言，電解時的產(chǎn)氧量也同樣較少，對硫酸亞鐵的氧化作用不明顯，但長時間工作之后三價鐵開始積留，放置一段時間后自然出現(xiàn)沉淀。

為持續(xù)添加，必須配制合適比例的還原劑和配位劑來保證硫酸亞鐵的穩(wěn)定，導(dǎo)致二者過量加入。還原劑過量直接影響鍍層元素排列和金屬比例，而較高濃度的鐵離子配位劑不僅與三價鐵反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，而且易與鎢酸鈉反應(yīng)產(chǎn)生沉淀。

控制鐵鎳鎢穩(wěn)定的難度相當(dāng)大，3種金屬、2種配位劑、1種還原劑加光亮劑的配制很復(fù)雜。在生產(chǎn)控制中，還原劑和光亮劑的分析也達(dá)不到配合程度。

后續(xù)的應(yīng)用性實驗還發(fā)現(xiàn)在有2種不同配位劑的情況下，異形加工件的凹凸結(jié)合處會起皮，因此必須用統(tǒng)一的配位劑，但更換配位劑后，加工件耐磨性有所下降。工業(yè)生產(chǎn)時槽面和產(chǎn)氧量較大，較難保證鍍層中完全不摻雜沉淀的顆粒，從而影響鍍層性能的穩(wěn)定。對習(xí)慣了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的企業(yè)來說，需做很大努力控制此鍍種的生產(chǎn)，只有嚴(yán)格的管理才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

酸性鎳鎢磷

配方由硫酸鎳、亞磷酸、鎢酸鈉及單一配位劑組成，無需配合光亮劑。工作溫度65~70°C，pH2~3。配制方法較簡單，將足量的配位劑加入鎢酸鈉溶液，再倒入硫酸亞鐵溶液，最后加入亞磷酸即可。

用鎳鎢磷溶液做燒杯實驗時，只需配合一定的低級潤濕劑，高級配位劑反而不利于控制，會造成發(fā)黑或粗糙。該配方從配制到生產(chǎn)管理都十分簡單，不必通過過量的配位劑來穩(wěn)定溶液，且金屬在水溶液中無氧化，在

電解過程中也就不生成影響性能的化合物，因此在鎢合金電鍍推廣初期較易被行業(yè)接受。但問題仍有不少。其一，各元素的濃度所決定的鍍層含量究竟應(yīng)是多少，至今仍是各大委托加工方爭論的焦點。其二，產(chǎn)生起皮、麻點和針孔的原因與以前專家提出的觀點并不切合，付出了相當(dāng)長的試驗時間來探討。其三，鎳鎢磷配比及工藝條件的變化對耐磨性的影響在獲得相當(dāng)大的行業(yè)支持后才逐漸被證實，繼續(xù)提高耐磨性仍有研究空間。

鎳鎢磷較穩(wěn)定，推廣也較順利，但存在對耐磨性的懷疑。實際上鎳鎢磷鍍層的耐磨性可媲美鍍鉻，但由于硬度只能達(dá)到900HV，在運動速率和壓力較高的環(huán)境下使用時，鍍層還是會變形、損傷。

堿性鎳鎢磷和鎳鎢

這2種配方是在客戶對酸性鎳鎢磷的性能產(chǎn)生懷疑后開發(fā)出來的。堿性鎳鎢磷的鎢含量較高，較受委托加工方推崇，或者說成了鎢合金電鍍工藝的一個賣點?？蛻粽J(rèn)為鎢含量高，產(chǎn)生的耐磨金屬晶體量就高，其實不然。在實驗中，較高的鎢含量會出現(xiàn)鍍層起砂的現(xiàn)象，即顆粒過多，粘合不夠。這一點仍需在實驗和生產(chǎn)中驗證。

堿性鎳鎢磷配方由硫酸鎳、鎢酸鈉、亞磷酸及配位劑組成，潤濕劑的選擇取決于產(chǎn)品的電鍍方式，與酸性鎳鎢磷的配制方法相同，區(qū)別在于需加入大量的堿性配位劑和普通堿性溶液來提高pH至7.0~7.5，工作溫度65~70°C。

此配方具有與酸性鎳鎢磷同樣的特點，金屬無氧化，配位劑加入較合理，但長期生產(chǎn)中也會發(fā)生有機(jī)物積留而影響鍍速的情況，但不會出現(xiàn)不溶性沉淀，處理較簡單。

堿性鎳鎢的配方由硫酸鎳、鎢酸鈉和配位劑組成，是鎢合金電鍍體系中最簡單的配方。配制方法與上述無區(qū)別，工作環(huán)境一致。長期工作同樣存在有機(jī)物積累問題，處理方式與堿性鎳鎢磷相同。這2個鍍種的優(yōu)勢是分散和整平能力較強(qiáng)。一般情況下，酸性鎳鎢磷和鐵鎳鎢完全覆蓋金屬表面需達(dá)到30μm以上，而鎳鎢和堿性鎳鎢磷在20μm就可完全覆蓋。一般內(nèi)孔電鍍中首先要求防腐蝕性能，鐵鎳鎢并不適用，而酸性鎳鎢磷受工藝限制，堿性鎳鎢磷和鎳鎢就成為首選。

依掌握的配方，已基本清楚整個工藝環(huán)節(jié)中會出現(xiàn)的故障及排除方法，這要從燒杯實驗到特定產(chǎn)品加工的區(qū)別逐步說明。燒杯實驗環(huán)境單一，不可能遇到生產(chǎn)中的各方面問題，走向規(guī)?；a(chǎn)后，溶液交叉污染和掛架設(shè)計是出現(xiàn)故障的主要因素。鎢合金電鍍中大部分的生產(chǎn)工藝都與傳統(tǒng)鍍種相似，無非是去污、除油、敏化和酸洗。經(jīng)過大量實踐經(jīng)驗的積累和行業(yè)人員的介入，鎢合金電鍍工藝逐步完善。在此以臥式鍍槽的整個步驟為例，說明一些工藝過程中出現(xiàn)的問題。

除油

現(xiàn)實中的加工件并非統(tǒng)一的國標(biāo)材質(zhì)，需區(qū)別對待：材質(zhì)較疏松的，除油時間相對延長；較緊密的則縮短。并非時間越長越好，由于大多數(shù)除油液中有腐蝕或鈍化成分，如一味延長時間，一方面會發(fā)生腐蝕，另一方面會造成鈍化，給下一步增加麻煩。

長期使用的除油液表面積累大量油污，會降低除油效果，雖不至于導(dǎo)致起皮，但鍍層結(jié)合力差。另外，槽底會積攢很多剝離下來的金屬化合物沉淀，這是出現(xiàn)小瘤的最大原因。處理方式是設(shè)置獨立的過濾沉淀系統(tǒng)，定期開機(jī)去除即可。

敏化(刻蝕)

傳統(tǒng)電鍍中有些將敏化作為前處理的最后一步，但在鎢合金電鍍中，鍍液有酸堿之分，敏化液的一成不變會影響工件入主鍍槽后的反應(yīng)，造成結(jié)合力差；且主鍍?nèi)萑绦缘?，電鍍液中一般不含除雜劑，因此敏化液摻入后很難去除，需根據(jù)敏化液的成分進(jìn)行電解或者做活性炭處理。正常工作中敏化的最大問題是補(bǔ)充酸液和去除沉淀。敏化過程是將金屬表面的鈍化層活化剝離，連續(xù)的流水作業(yè)勢必積累大量的超細(xì)沉淀，單靠過濾機(jī)不能徹底去除這些物質(zhì)，需配置特殊過濾設(shè)備。需嚴(yán)格控制不同材質(zhì)金屬的敏化時間，工作人員要有相當(dāng)豐富的工作經(jīng)驗。對于過度敏化的工件，補(bǔ)救措施是返回除油進(jìn)行鈍化，再敏化除去除油后在金屬表面產(chǎn)生的油膜。

酸洗

相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)酸洗，這里采用的是弱酸，因經(jīng)過敏化，工件表面可剝離的氧化物幾乎沒有了，所以再用弱酸輕微浸泡即可達(dá)到入主鍍的要求。長期運行仍會產(chǎn)生沉淀物和腐蝕效率降低，由于含酸量較低，酸洗液報廢后一般也就用石灰中和，更換新的酸液。

主鍍

除上述工藝步驟對主鍍?nèi)芤旱挠绊懼?，鎢合金鍍液自身的故障一般有：

(1)掛架、夾具脫落金屬造成的污染。首先是電纜融化導(dǎo)致的銅溶解，其次是夾具保護(hù)不當(dāng)引起的鐵溶解，一般的處理方式是電解，也可采用市售的鍍鎳除雜劑，但需謹(jǐn)慎使用。

(2)溫度測定不嚴(yán)格。通過燒杯實驗很容易看出溫度對鍍層質(zhì)量起決定作用，鍍槽不是長就是深，很易忽視溫度測量，生產(chǎn)中若出現(xiàn)大的溫度波動，對產(chǎn)品的不良影響是不可挽回的。

這個問題往往被設(shè)備設(shè)計人員忽視。傳統(tǒng)電鍍中一般會產(chǎn)生高熱，入槽后基本無需加溫。而鎢合金工藝耗電量少，發(fā)熱量也相應(yīng)減小。如出現(xiàn)不能加溫，那么只有一個可能原因──掛架導(dǎo)電出現(xiàn)問題，由此帶來的各種污染會嚴(yán)重影響溶液的穩(wěn)定性。在鍍槽中多布置一些單獨控制的熱電偶和加溫設(shè)備，是保證連續(xù)生產(chǎn)的必要條件。

(3)潤濕劑產(chǎn)生的固體顆粒、劣質(zhì)掛架膠的溶解物以及蚊蟲落入槽中都是影響質(zhì)量的因素。鎢合金電鍍中應(yīng)用的有機(jī)物還停留在較低層次，使用的潤濕劑是較為常見的十二烷基硫酸鈉之類，這類產(chǎn)品遇冷后易產(chǎn)生膠黏，工件入槽被其附著，易出現(xiàn)漏鍍和針孔。原有的掛架膠基本上是為傳統(tǒng)電鍍量身定做的，大部分應(yīng)用在鎢合金電鍍中都不理想，坐等行業(yè)配套還有很長的路要走，故必須及時檢查和更換。

(4)過濾設(shè)備和循環(huán)管路會影響鍍液的穩(wěn)定。鎢合金鍍液的密度較傳統(tǒng)電鍍液小很多，一般的過濾機(jī)很難滿足使用需要。以毛線過濾機(jī)為例，雖然在溶液出現(xiàn)沉淀時能起到很好的作用，但遇到十二烷基硫酸鈉等膠黏物時，就幾乎起不到作用，對掛架脫落后產(chǎn)生的上浮類顆粒更起不到任何作用。通過改變配套設(shè)備的過濾材質(zhì)恐怕很難有效果，因此必須在設(shè)計初期針對特定產(chǎn)品規(guī)劃好整個循環(huán)系統(tǒng)。

無法在實驗室內(nèi)全面估計鍍液在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，但對不同的鎢合金鍍液來說，其維護(hù)可總結(jié)為以下幾個方面：雜質(zhì)污染問題；金屬離子含量的管理和控制；配位劑的控制及其過量時的去除；用于調(diào)整鍍液的除雜劑的去除。相應(yīng)的解決辦法實際上只不過是按照不同物質(zhì)的化學(xué)屬性配給相應(yīng)的化學(xué)藥品，使其生成可簡單取出的化合物。取出方式不外乎是電解或者產(chǎn)生新的化合物沉淀后過濾去除，比如用冷凍法去除硫酸鈉，用化學(xué)沉淀法去除鐵離子和銅離子，用電解法去除亞硝酸鈉等。

鎢鎳合金電鍍工藝可以提高模具質(zhì)量、延長模具壽命、清潔生產(chǎn)。鎢、鎳金屬硬度高、耐磨性好，與熔融態(tài)基體粘附溫度高。

鎢鎳合金鍍層結(jié)晶細(xì)致光亮、耐磨性好，與基體結(jié)合力強(qiáng)、硬度高，高溫下維氏硬度達(dá)到1000以上。鎢鎳合金電鍍工藝將逐步取代模具電鍍鉻，但是，鎢鎳合金電鍍工藝普遍存在鍍層粗糙、不均、麻點等缺陷，嚴(yán)重制約其應(yīng)用發(fā)展。 2100433B

溫度特性

性質(zhì)(1)鉬鎢合金的熔點隨鎢含量的增加而提高，當(dāng)鎢含量增加到25%時，合金的熔點比純鉬大約提高200℃(見圖1)。因此，可以根據(jù)使用溫度和要求的

合金熔點，在2620～3410℃的范圍內(nèi)選擇相應(yīng)的合金成分。這一優(yōu)點也是鉬鎢合金得以較廣泛使用的優(yōu)勢之一。鉬鎢合金中鎢含量與合金熔點的關(guān)系示于圖1中。

晶格常數(shù)

鉬鎢合金的晶格常數(shù)和密度隨鎢含量的增加呈線性函數(shù)提高。鉬鎢合金的硬度和強(qiáng)度也基本上隨鎢含量的增加而提高

硬度

合金的最高室溫硬度值處于鎢含量90%～100%之間，其維氏硬度值高達(dá)3530～3860MPa，比純鉬高一倍多。合金的最高高溫硬度值處于鎢含量70%～85%之間。當(dāng)鎢含量由O增加到40%時，加工態(tài)鉬鎢合金的室溫抗拉強(qiáng)度由617MPa提高到900MPa。真空電弧熔煉鉬鎢合金錠的硬度值列于表中。

真空電弧熔煉鉬鎢合金錠的硬度值

強(qiáng)化機(jī)制二元系鉬鎢合金的強(qiáng)化作用主要是固溶強(qiáng)化和應(yīng)變強(qiáng)化。當(dāng)合金中加入鈦、鋯、鈮、碳等合金元素時則引起明顯的沉淀強(qiáng)化作用。常用的鉬鎢合金的名義成分為：Mo-20W、Mo-30W、Mo-50W、Mo-75W、Mo-90W以及Mo-25W-0.1Zr-0.03C、Mo-25W-1.67Nb-10.37Ti-0.12ZI-0.18C等。

由鎢和錸所組成的合金。一類為低錸合金，含錸在5%以下；另一類是高錸合金，含錸為20%～30%。其制取方法和鎢材相仿，主要的應(yīng)用是特種電子管和彩色顯像管的燈絲，要求高強(qiáng)度和高塑性的高溫部件，由低錸合金和高錸合金配對可用于測量1500～3000℃高溫的熱電偶。利用鎢錸熱電偶代替鉑銠熱電偶測溫可以節(jié)約貴重的鉑、銠等金屬。錸也是稀散金屬，資源較少，較貴，如非必要，應(yīng)盡量采用不加錸或少加錸的鎢合金。