奈米鑽石在機械行業的應用

（1）奈米鑽石粉複合鍍覆

奈米鑽石粉複合鍍覆技術是產品製造的關鍵技術之一。 通過表面鍍覆， 可使產品表面得到成分、 組織可控的保護鍍層， 顯著提高產品的使用壽命和可靠性。 如： 使用環境比較惡劣的海洋平臺、 大型露天礦開採、 冶金石化生產設備， 採用長效複合保護， 可在 5~10 年的使用期間內部產生銹蝕； 機械行業使用量大面廣的刀具、 模具、泵類、 軸類、 閥門， 經過表面強化後， 使用壽命可提高 3~5 倍。

奈米鑽石粉複合鍍覆技術是優質、 高效、 節能、 節材、 環保和提高經濟效益的有效手段。 統計表明， 機械製造中約有 1/3 的能源直接或間接的消耗於磨損、 磨蝕引起的損失， 世界鋼產量的 1/10 損耗於銹蝕與其他腐蝕， 腐蝕與磨損給國民經濟造成的損失驚人， 根據英、 美等國調查， 國民經濟總產值 2%~4% 因腐蝕而損失， 我國每年由於腐蝕造成的損失至少在 400 億元以上，據調查我國 27 個省市約 400 個機械工業企業， 每年因腐蝕損失 116 億元。 據瞭解， 世界上每年金屬腐蝕損耗大約 1500 億美元， 我國年損耗在 1500 億人民幣， 而金屬電鍍是解決這一技術難題的途徑之一。

近年來， 鑽石粉用於複合鍍層的高硬度和耐蝕性日益受到關注。 但由於一般的鑽石粉顆粒為微米級或亞微米級， 顆粒較粗， 得到的鍍層組織難以滿足精密儀器、 高光潔度表面、 精細加工和更高的耐磨性等要求。 隨著奈米鑽石粉生產技術的飛速發展， 特別是 2 ～12 nm 鑽石粉的出現， 採用奈米鑽石粉形成複合鍍層有望彌補這一不足。 電刷鍍技術是近年來在電鍍技術的基礎上發展起來的一種新型表面改性技術， 能解決一些其它技術難以解決的機械零部件修復的問題。 中科院蘭州化學物理研究所固體潤滑開放研究實驗室與蘭州大學材料系合作， 對含奈米鑽石粉的複合鎳刷鍍層的摩擦學特性進行了研究， 結果顯示， 該鍍層具有極好的減摩耐磨性能， 在試驗範圍內， 其減摩耐磨性能隨著奈米鑽石粉黑粉含量的增加而提高。

採用有效防護手段， 至少可減少腐蝕損失 15%~35%， 減少磨損損失 1/3 左右。 此外， 由於表面鍍層很薄， 往往用極少的材料進行表面鍍覆和改性就能明顯提高耐蝕耐磨等性能， 對節約貴重材料， 降低製造成本具有明顯經濟效益。 例如， 對磨損了的模具、 曲軸、 導軌、 缸套、 箱體、 軸類、 軸承座、 鬥齒、 襯板等零件以及履帶車輛零件， 均利用電刷鍍技術開展正常維修工作， 具有極大的經濟效益。

研究了奈米鑽石粉複合鍍鉻層的摩擦學性能後發現， 複合鍍層中加入奈米鑽石粉粉， 可以形成均勻緻密的複合電鍍層。 奈米鑽石粉粉的加入可以使鍍層晶粒細化， 起彌散強化作用， 提高了複合鍍鉻層的硬度。 在油潤滑條件下， 奈米鑽石粉粉的加入可以顯著提高鍍層的耐磨性， 並且鍍層厚度為 27μm 時效果最佳， 耐磨性比純鍍鉻層提高了 12 倍。

奈米複合鍍技術是不溶性的奈米鑽石粉固體顆粒加入到鍍液中， 形成均勻懸浮液， 使固體顆粒與金屬離子共沉積而獲得複合鍍層的一種沉積技術。 運用懸浮技術使奈米顆粒充分分散， 所獲得的奈米鑽石粉複合鍍層具有高的耐磨性和減摩性等優異性能。 奈米鑽石粉複合鍍層硬度可達 HV700～ 1100， 耐磨性優於 Cr15、 普通鍍鎳層和微米鑽石粉複合鍍層。 摩擦係數僅為普通鍍層的三分之一。 具有獨特的自潤滑效果， 耐磨壽命可提高 2-5倍。 可廣泛應用於各行業精密耐磨件的表面處理， 代替原有鍍鉻、 鍍鎳等工藝。 應用效果見表1-表3

表1 含奈米級鑽石粉的鉻鍍層鑽頭實驗結果

 表2 鉻鑽石粉鍍層壓制模具的實驗結果

與滲氮、 滲碳、 鍍鉻強化及採用特殊鋼的工具比較， 相對壽命。

表3 鉻鑽石粉鍍層衝壓工具 (陰模、 陽模)

在板材衝壓時的實驗結果