奈米金刚石在机械行业的应用

（1）奈米金刚石粉复合镀覆

奈米金刚石粉复合镀覆技术是产品制造的关键技术之一。 通过表面镀覆， 可使产品表面得到成分、 组织可控的保护镀层， 显著提高产品的使用寿命和可靠性。 如： 使用环境比较恶劣的海洋平台、 大型露天矿开采、 冶金石化生产设备， 采用长效复合保护， 可在 5~10 年的使用期间内部产生锈蚀； 机械行业使用量大面广的刀具、 模具、泵类、 轴类、 阀门， 经过表面强化后， 使用寿命可提高 3~5 倍。

奈米金刚石粉复合镀覆技术是优质、 高效、 节能、 节材、 环保和提高经济效益的有效手段。 统计表明， 机械制造中约有 1/3 的能源直接或间接的消耗于磨损、 磨蚀引起的损失， 世界钢产量的 1/10 损耗于锈蚀与其他腐蚀， 腐蚀与磨损给国民经济造成的损失惊人， 根据英、 美等国调查， 国民经济总产值 2%~4% 因腐蚀而损失， 我国每年由于腐蚀造成的损失至少在 400 亿元以上，据调查我国 27 个省市约 400 个机械工业企业， 每年因腐蚀损失 116 亿元。 据了解， 世界上每年金属腐蚀损耗大约 1500 亿美元， 我国年损耗在 1500 亿人民币， 而金属电镀是解决这一技术难题的途径之一。

近年来， 金刚石粉用于复合镀层的高硬度和耐蚀性日益受到关注。 但由于一般的金刚石粉颗粒为微米级或亚微米级， 颗粒较粗， 得到的镀层组织难以满足精密仪器、 高光洁度表面、 精细加工和更高的耐磨性等要求。 随着奈米金刚石粉生产技术的飞速发展， 特别是 2 ～12 nm 金刚石粉的出现， 采用奈米金刚石粉形成复合镀层有望弥补这一不足。 电刷镀技术是近年来在电镀技术的基础上发展起来的一种新型表面改性技术， 能解决一些其它技术难以解决的机械零部件修复的问题。 中科院兰州化学物理研究所固体润滑开放研究实验室与兰州大学材料系合作， 对含奈米金刚石粉的复合镍刷镀层的摩擦学特性进行了研究， 结果显示， 该镀层具有极好的减摩耐磨性能， 在试验范围内， 其减摩耐磨性能随着奈米金刚石粉黑粉含量的增加而提高。

采用有效防护手段， 至少可减少腐蚀损失 15%~35%， 减少磨损损失 1/3 左右。 此外， 由于表面镀层很薄， 往往用极少的材料进行表面镀覆和改性就能明显提高耐蚀耐磨等性能， 对节约贵重材料， 降低制造成本具有明显经济效益。 例如， 对磨损了的模具、 曲轴、 导轨、 缸套、 箱体、 轴类、 轴承座、 斗齿、 衬板等零件以及履带车辆零件， 均利用电刷镀技术开展正常维修工作， 具有极大的经济效益。

研究了奈米金刚石粉复合镀铬层的摩擦学性能后发现， 复合镀层中加入奈米金刚石粉， 可以形成均匀致密的复合电镀层。 奈米金刚石粉粉的加入可以使镀层晶粒细化， 起弥散强化作用， 提高了复合镀铬层的硬度。 在油润滑条件下， 奈米金刚石粉的加入可以显著提高镀层的耐磨性， 并且镀层厚度为 27μm 时效果最佳， 耐磨性比纯镀铬层提高了 12 倍。

奈米复合镀技术是不溶性的奈米金刚石粉固体颗粒加入到镀液中， 形成均匀悬浮液， 使固体颗粒与金属离子共沉积而获得复合镀层的一种沉积技术。 运用悬浮技术使奈米颗粒充分分散， 所获得的奈米金刚石粉复合镀层具有高的耐磨性和减摩性等优异性能。 奈米金刚石粉复合镀层硬度可达 HV700～ 1100， 耐磨性优于 Cr15、 普通镀镍层和微米金刚石粉复合镀层。 摩擦系数仅为普通镀层的三分之一。 具有独特的自润滑效果， 耐磨寿命可提高 2-5倍。 可广泛应用于各行业精密耐磨件的表面处理， 代替原有镀铬、 镀镍等工艺。 应用效果见表1-表3

表1 含奈米级金刚石粉的铬镀层钻头实验结果

 表2 铬金刚石粉镀层压制模具的实验结果

与渗氮、 渗碳、 镀铬强化及采用特殊钢的工具比较， 相对寿命。

表3 铬金刚石粉镀层冲压工具 (阴模、 阳模)

在板材冲压时的实验结果