王星星， 李 帥， 龍偉民， 糾永濤， 鐘素娟， 賈連輝, 杜全斌，上官林建， 黃瑩華

(1. 華北水利水電大學 機械學院， 鄭州 450045) (2. 鄭州機械研究所有限公司， 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室， 鄭州 450001) (3. 中鐵工程裝備集團有限公司， 鄭州 450016) (4. 河南機電職業(yè)學院 機械工程學院， 鄭州 451191) (5. 福建省泉州萬龍石業(yè)有限公司， 泉州 362005)

金剛石工具對各種堅硬材料具有超強的加工能力，已廣泛用于石材、地質、陶瓷、機械、電子等領域[1]。這些工具中，電鍍金剛石工具的電鍍層作為金剛石顆粒支撐和結合的部分，被稱為胎體材料，對金剛石顆粒能否充分切削起決定性作用。因此，電鍍金剛石工具胎體材料必須滿足特殊的性能要求。

采用電鍍法制備金剛石工具具有成本低、成型方便、工藝簡單及生產(chǎn)周期短等諸多優(yōu)點。同時，電鍍過程中所需溫度較低，能避免金剛石的熱損失。電鍍法制備的金剛石工具的性能主要受包鑲金剛石所用胎體材料的影響，如何獲得性能優(yōu)良的電鍍金屬胎體材料是制備該類金剛石工具的關鍵。

金屬鎳具有良好的物理性能、化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的機械加工性能和力學性能，故鎳及其合金常被用作胎體材料。國內外研究人員從合金元素添加、鍍液體系及電鍍參變量調控等方面對鎳基鍍層合金進行了廣泛研究。為進一步提高該胎體材料的性能，通過在鍍液中添加固體顆粒調控，成功開發(fā)出鎳基復合鍍層；復合鍍層能顯著提高胎體材料的性能，但增加了工藝參數(shù)優(yōu)化、質量管控以及鍍液維護等方面的難度。超聲波、磁場、脈沖電流等外場環(huán)境對胎體材料組織調控、性能優(yōu)化具有重要影響，但有關這方面的系統(tǒng)報道文獻很少。因此，本文從胎體材料合金化、胎體材料復合化和胎體材料細晶化3個方面綜述了國內外在金剛石工具胎體材料性能優(yōu)化方面的研究報道，并指出今后的研究重點和方向。

1 金剛石胎體材料合金化

Ni具有較高的強度和良好的韌性且對金剛石有良好的潤濕性，常被用作胎體材料。但單一Ni層硬度較低、耐磨性差，通過添加合金元素制備二元、三元合金鍍層，可提高Ni鍍層的綜合性能。目前常見的合金化元素主要有Co、Fe和Mn等。

1.1 Ni-Co合金鍍層

Ni和Co為同族元素，具有相似的電極電位和理化性能，可通過調控鍍液體系和工藝過程獲取性能良好的Ni-Co合金鍍層。目前關于Ni-Co合金鍍層的研究主要集中于沉積原理、鍍液體系、鍍層性能等方面[2]。GOMEZ等[3]研究了Ni-Co合金鍍層的共沉積行為，發(fā)現(xiàn)在鍍層的制備過程中，其陰極表面生成的Co(OH)2吸附層阻礙鎳離子沉積，導致鈷離子優(yōu)先沉積。ZAMANI等[4]也發(fā)現(xiàn)Co(OH)2吸附層能夠抑制鎳離子的沉積。

Ni-Co合金鍍液體系可分為氨基磺酸鹽型、硫酸鹽型和氯化物-硫酸鹽型3類。其中，硫酸鹽型鍍液[5]主鹽成分是硫酸鎳、硫酸鈷，具有沉積效率高、成本低的優(yōu)點；缺點是分散能力較差、易析氫及合金鍍層內應力較大。因此，一般用于制備Co含量較低的薄鍍層。氨基磺酸鹽型鍍液[6]電沉積過程中電流密度高，具有沉積效率高、極化大以及內應力低等優(yōu)點；缺點是生產(chǎn)成本高。氯化物-硫酸鹽型[7]鍍液以硫酸鹽為主，含有少量的氯化物，該體系具有維護方便、操作簡單、鍍層沉積速度快及成本低等優(yōu)點；缺點就是鍍液易出現(xiàn)分散不均勻現(xiàn)象。

Ni-Co合金鍍層的性能主要受陰極電流密度、鈷離子濃度以及脈沖頻率等相關參變量控制。王丹等[8]探究了硫酸鹽型鍍液體系中Co含量對Ni-Co合金鍍層硬度的影響，發(fā)現(xiàn)鍍液中Co質量分數(shù)小于59%時，鍍層顯微硬度隨硫酸鈷質量分數(shù)的升高而增大；當硫酸鈷含量進一步增加時，硬度反而降低。李超群等[9]也發(fā)現(xiàn)Ni-Co合金鍍層硬度隨Co含量增加而增大；當Co質量分數(shù)超過40%時合金硬度變化較小。原因在于合金制備過程中引入Co易導致晶格畸變，使得合金鍍層顯微硬度提高；但當Co質量分數(shù)超過一定范圍后，Ni-Co合金鍍層中出現(xiàn)密排六方結構，導致鍍層顯微硬度下降。

1.2 Ni-Fe合金鍍層

為了降低成本，研究人員開發(fā)了Ni-Fe合金鍍層。左敦穩(wěn)等[10]采用雙陽極電沉積法制備了Ni-Fe合金鍍層，從電鍍金剛石工具服役壽命、加工質量和效率等方面評估了鉆頭的切削性能，指出Ni-Fe合金鍍層鉆頭的耐磨性能和加工效率比Ni-Co合金鍍層高。章文姣等[11]發(fā)現(xiàn)鍍液的pH值影響鍍液體系的穩(wěn)定性，同時指出鍍液溫度也對鍍層性能產(chǎn)生顯著影響。孫仲鳴等[12]研究了鍍液成分對鍍層性能的影響，指出鍍液中鐵離子濃度對Ni-Fe合金鍍層的性能產(chǎn)生影響；通過調控鍍液成分和電鍍工藝，能夠制備不同硬度和耐磨性的Ni-Fe合金鍍層。利用Ni-Fe合金鍍層作為胎體材料生產(chǎn)的電鍍金剛石鉆頭可用于石油、煤炭等鉆探生產(chǎn)中。

1.3 Ni-Mn合金鍍層

為進一步提高胎體材料的力學性能，研究人員開發(fā)了Ni-Mn合金鍍層[13-14]。研究表明：Mn比Co、Fe元素在提高鍍層強度、硬度以及耐磨性方面效果更佳，Ni-0.1wt.%Mn鍍層顯微硬度與Ni-30wt.%Co相接近。對于研磨性較強的地層，Ni-Mn合金鍍層金剛石鉆頭的切削性能優(yōu)于Ni-Co合金鍍層鉆頭的[13]。但Ni-Mn合金鍍層存在脆性較高、易碎裂的缺點[14]。

1.4 Ni-Co-Mn合金鍍層

研究人員在Ni基二元合金的基礎上開發(fā)了Ni-Co-Mn三元合金鍍層。Ni-Co-Mn合金鍍層具有良好的綜合性能，硬度比Ni-Co和Ni-Fe合金鍍層高，脆性比Ni-Mn合金鍍層的低，能夠滿足電鍍金剛石工具對胎體性能的需求。李云東等[15]通過在鍍液中加入韌化劑，減弱Mn導致Ni-Co-Mn合金鍍層脆化的趨勢，具有比Ni-Co或Ni-Mn合金鍍層更高的綜合機械性能。奚小波等[16]采用硫酸鹽型鍍液體系，探討了鍍液成分、鍍液溫度以及電流密度等參變量對Ni-Co-Mn合金鍍層性能的影響，指出NiSO4280 g/L、CoSO411 g/L、MnSO41 g/L是最佳主鹽配方；當鍍液溫度低于50 ℃時鍍層易出現(xiàn)“燒焦”現(xiàn)象；電流過高會導致析氫、積瘤等缺陷出現(xiàn)。

2 金剛石胎體材料復合化

復合鍍層是指采用共沉積的方法，將一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒均勻地夾雜到金屬鍍層中所形成的特殊鍍層。固體顆粒對復合鍍層的強化效應主要體現(xiàn)在固體顆粒的位錯強化、細晶強化以及彌散強化等方面[17]。目前，復合鍍層制備所使用的顆粒主要有納米Al2O3、SiC、碳納米管和金剛石等。

2.1 Ni-Al2O3復合鍍層

FENG等[18]采用電鍍法和共沉積法制備了Ni-Al2O3納米復合鍍層，發(fā)現(xiàn)納米復合鍍層的顯微硬度比純鎳鍍層高2～3倍；當鍍液體系中納米Al2O3濃度為10 g/L時，通過沉積法制備的納米復合鍍層硬度比電鍍法制備的復合鍍層硬度提高22%；Ni-Al2O3納米復合鍍層硬度的提高與鍍層中納米Al2O3彌散強化效應和細晶強化作用有關。林文松等[19]通過電沉積方法制備了Ni-Al2O3復合梯度鍍層，發(fā)現(xiàn)鍍層的耐磨性比普通鍍層提高150%。劉燕等[20]也指出(Ni-Co)-Al2O3復合鍍層的耐磨性明顯優(yōu)于Ni-Co合金鍍層。

2.2 Ni-SiC復合鍍層

研究表明[21]，在鍍液中加入SiC顆粒能夠促進陰極極化，使陰極表面Ni微晶的形核數(shù)目增加，進而使Ni-SiC復合鍍層晶粒細化，提高鍍層的綜合性能。華小社等[22]探討了電鍍工藝對鍍層性能的影響，指出在最優(yōu)參變量下制備的合金鍍層顯微硬度最大為897HV，是純鎳鍍層的4倍，耐腐蝕性為純鎳鍍層的3倍以上；同時發(fā)現(xiàn)納米SiC顆粒均勻地分散于鍍層中，鍍層組織均勻致密，表面光滑平整。程森等[23]也指出在鍍液中添加SiC 納米微粒制備的合金鍍層的硬度是純鎳鍍層的3倍。GYFTOU等[24-25]探討了SiC形態(tài)對復合鍍層性能的影響，發(fā)現(xiàn)鍍液中添加SiC微粒能夠細化鍍層晶粒，提高鍍層的顯微硬度和耐磨性；納米SiC微粒對于鍍層性能的影響更加顯著。PAVLATOU等[26]將1 μm SiC和20 nm SiC分別添加到鎳鍍液中，也發(fā)現(xiàn)納米SiC顆粒的細化作用更明顯。史芳芳等[27]基于雙向脈沖電沉積法制備了(Ni-Co)-SiC復合鍍層，發(fā)現(xiàn)(Ni-Co)-SiC復合鍍層與雙向脈沖電沉積法的應用對提高鍍層的硬度、耐磨性和耐蝕性具有積極的作用。

2.3 Ni-金剛石復合鍍層

在鍍液中添加金剛石顆粒，通過復合電沉積方法獲得的復合鍍層綜合了基體金屬與金剛石顆粒的雙重特性，具有硬度高、耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點。鐘世安等[28]探討了電沉積參變量(金剛石含量、溫度、電流密度、pH等)對復合鍍層性能的影響，指出當Watt鍍鎳溶液中金剛石濃度為40 g/L，溫度為 40 ℃，電流密度為1.5 A/dm2、pH值為3.8時，可在45#鋼基體上獲得性能較好的Ni-金剛石復合鍍層；制備的鍍層中金剛石微粒質量分數(shù)為11%～13%，鍍層硬度約為2 100 MPa，具有較好的耐磨性能。杜楠等[29]通過調控攪拌方式、顆粒尺寸以及電流密度等參變量，能夠將Ni-金剛石復合鍍層中顆粒質量分數(shù)穩(wěn)定在1.47%～15.6%范圍內。欒新偉等[30]發(fā)現(xiàn)在鍍液溫度為60 ℃，電流密度為2 A/dm2的共沉積參數(shù)下，鍍層中納米金剛石的含量較高，鍍層具有較高的硬度和良好的耐磨性能。許偉等[31]發(fā)現(xiàn)金剛石顆粒尺寸對Ni-Co/金剛石復合鍍層微觀組織及性能有顯著影響，復合鍍層的耐磨性隨著金剛石顆粒尺寸的增大逐漸增加。

2.4 Ni-碳納米管復合鍍層

碳納米管(carbon nanotubes, CNT)是一種具有獨特性能的納米材料。利用復合電沉積法制備Ni-碳納米管復合鍍層可顯著改善鍍層性能。陳小華等[32]指出Ni-碳納米管復合鍍層能顯著提高基體表面的耐磨性能，這是因為復合鍍層中碳納米管只有一端嵌入在鎳基體中，使用過程中容易剝落；而碳納米管具有強度高、韌性及自潤滑性好等優(yōu)點，剝落的碳納米管能夠降低基體的磨損率，起保護基體的作用。張虎等[33]發(fā)現(xiàn)鍍液中添加碳納米管，具有改善鍍層形貌、降低鍍層粗糙度和細化晶粒的效果；當鍍液中碳納米管濃度為2 g/L時，鍍層綜合性能達到最佳。諸利達等[34]指出復合鍍層中碳納米管體積分數(shù)約為4%時鍍層硬度最大。CARPENTER等[35]發(fā)現(xiàn)碳納米管經(jīng)酸化處理后，可顯著改善鍍層微觀組織的均勻性，鍍層具有更好的平整度；同時指出，耐磨性能的提高主要歸因于服役過程中生成的氧化膜。范燕紅[36]研究了表面活性劑類型對碳納米管分散性和復合電鍍層性能的影響，指出陰離子表面活性劑能顯著提高碳納米管與金屬基體間的結合力，但不利于碳納米管在陰極表面的沉積；復合鍍層中微觀組織主要與鍍液成分和碳納米管的濃度有關；鍍液中碳納米管濃度的增加會使電鍍層表面粗化。

3 金剛石胎體材料細晶化

鍍層的結晶過程主要與晶核形成速率和晶粒生長速率有關。鍍層制備過程中晶核形成速率和晶粒生長速率會顯著影響鍍層表面的晶粒尺寸，進而影響鍍層的硬度和耐磨性?；陔娀瘜W理論可知，提高陰極電化學極化電位，能夠促進晶核形成、晶粒細化。因此，研究人員常采用提高電化學極化電位的方式來調控晶粒，達到改進鍍層性能的目的。

3.1 脈沖電流

脈沖電鍍技術是利用電流脈沖的張弛提高陰極活化極化和降低陰極的濃差極化，從而調控鎳基鍍層的微觀結構，提高鍍層的顯微硬度和耐磨性。WU等[37]采用脈沖電沉積技術制備了Ni-Co合金鍍層，結果表明Ni-Co合金鍍層的組成和結構可通過調控脈沖電流密度和鍍液中糖精含量來實現(xiàn)；鍍層中Co含量會影響其性能，Ni-80Co合金鍍層的硬度與納米鎳非常接近。LI等[38]研究了峰值電流密度對Ni-Co合金鍍層中Co含量、晶粒尺寸、硬度以及抗拉強度的影響，發(fā)現(xiàn)峰值電流密度在一定范圍內增加時，合金鍍層中的Co含量降低、晶粒尺寸減小、硬度和強度提高；當超過上述范圍時，鍍層的力學性能(硬度和抗拉強度)反而開始降低。研究還發(fā)現(xiàn)[39]：鍍液體系中糖精和硫酸鈷含量在一定范圍內變化時，具有細化Ni-Co合金鍍層晶粒的作用。HASSANI等[40]詳細探討了糖精對Ni-Co合金鍍層微觀組織和晶粒尺寸的影響。SUBRAMANIA等[41]的實驗結果也表明調控脈沖電流密度、占空比和頻率可改變Ni-Co合金鍍層的厚度和硬度。黃志偉等[42]探討了脈沖參數(shù)對Ni-Co合金鍍層晶粒尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)調控峰值電流密度可改變晶粒大小，脈沖周期過短會造成晶粒粗化。EBRAHIMI等[43-44]指出脈沖波形對鎳鍍層的微觀結構和性能具有顯著影響。

在不改變鍍層合金成分前提下，鍍層的納米化也是提高其硬度、耐磨性的方法。李照美等[45]采用脈沖電沉積法制備了納米鎳沉積層，指出納米沉積層最大拉伸強度為900 MPa，為普通鎳鍍層的2.5倍；納米鎳鍍層金剛石工具的服役壽命為常規(guī)鎳鍍層金剛石工具的1.5倍。李云東等[46]采用脈沖電沉積法在Watt鍍液中成功制備納米Ni-Co合金鍍層，發(fā)現(xiàn)Ni-Co合金鍍層硬度與納米鎳鍍層相近，但抗拉強度明顯提高；同時指出納米Ni-Co合金鍍層制備的金剛石工具的服役壽命較純鎳鍍層金剛石工具提高15.5%。

3.2 添加稀土元素

稀土元素被稱為“工業(yè)味精”，具有獨特的理化特性。近年來，稀土元素或稀土添加劑逐漸成為電鍍行業(yè)的研究熱點。潘秉鎖等[47]探討了稀土含量對Ni-Co合金鍍層性能的影響，發(fā)現(xiàn)在鍍液中添加稀土能夠提高鍍層的硬度和耐磨性能。高紅宇等[48]也發(fā)現(xiàn)添加稀土可細化鍍層的晶粒，提高鍍層致密性，進而提高鍍層的顯微硬度、耐磨性能以及耐腐蝕性能。孫毓超等[49]指出在制備金剛石工具過程中添加稀土元素La和Ce能夠提高金剛石和胎體材料間的作用力。寧春旭等[50]發(fā)現(xiàn)添加稀土元素La能夠使胎體材料中的孔洞缺陷減少，同時細化晶粒，進而使胎體材料的抗拉強度、顯微硬度和耐磨性顯著提高

3.3 超聲波調控

施加超聲波于電沉積體系中能誘發(fā)空化、微射流、機械和熱效應，起到?jīng)_擊攪拌電解液、驅氣氫泡和清潔活化電極表面的作用，可增強電極過程的傳質效果、優(yōu)化電沉積環(huán)境，進而改善沉積層形貌、提高其力學與理化性能。超聲波對電鍍過程的強化作用可歸納為機械作用、空化作用和波速界面突變效應，超聲波空化作用增加了表面位錯密度和形核中心，提高形核率，有利于電結晶細化[51]。王秦生等[52]發(fā)現(xiàn)電沉積過程中施加超聲波能顯著提高電沉積速率，有效解決金剛石電鍍工具生產(chǎn)周期長的問題。這是因為超聲波微射流能夠加速鍍液的擴散傳質過程，降低濃差極化，進而顯著提高受擴散控制的鍍液體系的電沉積速度。

OKUMIYA等[53]發(fā)現(xiàn)超聲波微射流作用能調控胎體材料對金剛石磨粒的包鑲形貌，有效提高胎體材料和金剛石磨粒間的結合強度，進而提高金剛石工具的使用壽命。王秀芝等[54]也發(fā)現(xiàn)超聲波的空化和微射流對鍍層表面具有強化作用，可顯著改善鍍層沉積工藝條件，提高金剛石工具的制備效率。霍宇翔[55]發(fā)現(xiàn)超聲波能顯著降低鍍層內應力，提高鍍層與基體的作用力；同時指出上述變化主要是因為超聲微射流和空化效應能有效去除基體表面吸附的氫，進而減少鍍層氫脆和發(fā)花等現(xiàn)象，使鍍層內應力顯著降低。方小紅等[56]發(fā)現(xiàn)施加超聲波能夠有效提高純鎳鍍層硬度，與Ni-Co合金鍍層硬度相當，能夠滿足金剛石工具對胎體材料硬度的要求。

3.4 外加磁場作用

隨著超導技術的發(fā)展，材料的電磁加工已廣泛應用于材料科學和制備領域。施加磁場于電沉積體系中能使鍍液在洛侖茲力作用下產(chǎn)生渦流，進而攪拌鍍液，阻止納米顆粒沉降；另外，由磁場引起的磁化力能在一定程度上抑制納米顆粒的團聚。

曹永娣等[57]研究了恒定磁場對鍍層及金剛石工具性能的影響，指出恒定磁場能顯著細化鍍層表面晶粒，進而使納米Ni-Co合金鍍層表面更加平整、致密；當外加磁場電壓為7 V時，Ni-Co合金鍍層硬度較無磁場時提高了112HV，鍍層硬度達到583HV，同時金剛石工具服役壽命提高了21%。王琳等[58]在制備金剛石工具的過程中引入交變磁場，發(fā)現(xiàn)當外加電壓為200 V時，胎體材料晶粒尺寸顯著降低，鍍層硬度較未施加磁場時提高了1 060 MPa，金剛石工具切削效率提高了20.21%。黃志偉等[59]系統(tǒng)研究了交變磁場對Ni-Co納米合金鍍層硬度的影響，發(fā)現(xiàn)鍍層的硬度呈先增大后減小的趨勢。這是因為在磁場強度較小時，磁場產(chǎn)生的洛倫茲力對鍍層沖刷作用較小，電鍍離子的沉積主要受電場力的作用；當增大磁場強度時，電鍍離子在洛倫茲力作用下沖刷沉積層表面，抑制晶粒的生長，產(chǎn)生晶粒細化作用，進而使鍍層硬度明顯增大；當磁場強度繼續(xù)增大時，加劇了電鍍離子對沉積層的沖刷，造成電鍍離子難以沉積，電極極化現(xiàn)象嚴重，最終導致鍍層粗化，鍍層硬度明顯下降。馮秋元等[60]探討了強磁場對Ni/Al2O3納米復合鍍層性能的影響，發(fā)現(xiàn)復合鍍層中Al2O3含量隨磁場強度的增加而增加；強磁場產(chǎn)生的洛侖茲力會攪拌鍍液，進而導致鍍層性能的變化。同時發(fā)現(xiàn)強磁場不僅能提高鍍層中納米顆粒的含量，細化鍍層晶粒，而且還能調控鎳晶粒的擇優(yōu)取向[61]。這是因為鍍液在洛侖茲力的作用下產(chǎn)生了對流，極限電流密度增大，鍍液的分散能力增強，進而對鍍層形貌和晶粒大小產(chǎn)生影響。

4 展望及建議

目前關于電化學方法制備金剛石工具胎體材料性能改進的研究主要集中于材料合金化、鎳基納米復合鍍層以及外場因素細晶化調控方面。

(1)國內外對鎳基鍍層合金化方面的研究主要集中于合金元素添加量、鍍液成分以及電鍍參變量等方面，而鎳基合金鍍層制備過程涉及的電鍍工藝參變量復雜繁多，單一參變量變化均對合金鍍層性能產(chǎn)生影響，因此需要進一步探究各工藝參變量與元素添加之間的匹配問題，進而制定不同鍍液體系、鍍層種類以及鍍層性能的規(guī)范化電鍍參數(shù)，是金剛石工具胎體材料合金化技術中亟須解決的問題。

(2)鎳基納米復合鍍層方面的研究還處于實驗室階段，研究主要集中于電沉積相關參變量優(yōu)化方面，而對于納米復合鍍層顆粒與鎳離子共沉積機理、納米顆粒在鍍液中的分散性以及在鍍層中的彌散分布等關鍵科學問題尚未完全解決。

(3)國內外對于外因素作用下晶粒細化方面的研究還停留在表象闡述層面，對其內在機理、形貌重構方面的研究較少。金屬離子的電沉積過程主要涉及電化學過程、結晶過程和流體動力學過程，而引入外因素作用后使得問題更加復雜。因此，從電化學反應角度結合電極反應動力學相關理論，闡明外因素作用下鍍層性能的演變規(guī)律，揭示內、外因素對鍍層性能演變、表面形貌重構的影響機理是指導電鍍金剛石胎體材料未來一個重要的研究方向。

(4)學術界對電化學方法制備金剛石工具胎體材料僅考慮合金化、復合化、細晶化的單一調控作用，未來應該綜合考慮合金化、復合化、細晶化的作用機理，研究合金化、復合化、細晶化對胎體材料的協(xié)同影響機制，為電化學方法制備高性能長壽命金剛石工具提供科學依據(jù)。