固体润滑剂表面金属化及其对Fe基钻头胎体力学性能的影响＊

管成凯，郑朝文，余思琴，谭松成，章文姣

（1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉 430074）

（2.中国地质大学 工程学院,武汉 430074）

（3.辽宁工业大学 土木建筑工程学院,辽宁 锦州 121001）

随着“嫦娥五号”探测器的成功发射和采样返回，我国的月球钻探采样探测也面临新的挑战[1]。相较于传统的地球钻探，月球钻探由于无水等条件限制，无法使用钻井液，钻头的冷却问题得不到解决[2]。固体润滑剂已经广泛应用于材料科学领域[3-4]，在此环境下，潘秉锁等[5]提出了“自润滑孕镶金刚石钻头”的概念。但非金属固体润滑剂与孕镶金刚石钻头金属胎体材料之间结合强度较差，导致添加了固体润滑剂的金刚石钻头胎体物理力学性能下降，从而影响孕镶金刚石钻头的使用寿命[6]。为了提高钻头胎体的力学性能，可用化学镀、电镀、黏结、气相沉积和铸造等方式制作固体润滑剂增强复合材料，其中的化学镀具有操作简单，镀覆率高，对材料要求低等特点而被广泛选用[7-8]。

目前，固体润滑剂表面改性处理对自润滑孕镶金刚石钻头胎体力学性能影响的研究仍较少。谢兰兰等[9]研究了石墨表面镀镍对金刚石钻头胎体性能的影响，结果表明石墨表面镀镍后，石墨与胎体之间的结合强度大幅度提高，并提高了整体材料的物理力学性能；李成龙等[6]对比了添加Ni 包CaF2粉末和普通CaF2粉末的胎体试样的力学性能，试验结果表明：对CaF2粉末表面改性处理后，增强了自润滑孕镶金刚石钻头胎体的力学性能，其使用寿命也较普通CaF2自润滑孕镶金刚石钻头有进一步提高。

通过对3 种典型固体润滑剂进行表面化学镀镍处理，对比分析固体润滑剂本身材料特性差异及其对化学镀镍效果的影响，并初步探究了其对金刚石钻头胎体的硬度、抗弯强度的影响，为化学镀在自润滑孕镶金刚石中的应用打下基础。

1 试验

1.1 试验选材

根据现有研究[10-12]，MoS2、WS2和CaF23 种固体润滑剂在真空、高温环境下均有良好的润滑性能，能较好地适应月球钻探的工作条件。

MoS2在空气中360oC 时开始氧化，560oC 后剧烈氧化，真空中1 100oC 开始分解，摩擦性能随之下降[13]；WS2是一种新型固体润滑剂，特性与MoS2相似，摩擦系数比MoS2略低，热稳定性高，空气中510 ℃开始分解，650 ℃完全分解，真空中1 100 ℃开始分解，2 000 ℃完全分解[14]。MoS2为成层块状结构，WS2为片状结构，2 种固体润滑剂分子结构中层与层之间以较弱的范德华力连接，因此在剪切力作用下，容易发生层间滑移，从而具有良好的润滑性。

CaF2为白色无机化合物，难溶于水，自然界中存在于萤石或氟石中。其化学性能稳定，可用于腐蚀环境中，随着温度的升高会由脆性过渡到塑性，从而摩擦系数降低，润滑性能提高[15]，适用于高温高速摩擦作业。

1.2 化学镀

采用传统的化学镀镍工艺在固体润滑剂表面镀覆一薄层金属镍，其过程一般分为预处理以及化学镀2个方面。

预处理的步骤通常包括除油、粗化、敏化、活化和解胶5 个环节。根据李成龙[16]的研究表明，一步活化法对固体润滑剂的表面镀覆效果要优于传统的两步活化法，据此试验将采用一步活化法，应用到固体润滑剂表面镀镍改性上。

图1所示为固体润滑剂化学镀镍的流程图。其中，化学镀预处理的每一步过后都要用蒸馏水清洗至中性，同时在配置溶液和反应时都要不断搅拌溶液；粗化阶段将HNO3加热煮沸10 min；敏化、活化阶段将A、B 液在不断搅拌下进行混合，并在45～60 ℃下保温2～4 h；最后，将预处理后的固体润滑剂加入镀液中，并在超声波振荡器中进行化学镀镍。试验所用相关溶液见表1。

图1 化学镀镍试验流程图Fig.1 Flow chart of electroless nickel plating experiment

表1 化学镀相关溶液Tab.1 Chemical plating related solutions

将反应后的固体润滑剂清洗至中性，并在烘箱中烘干2 h，获得表面镀镍的固体润滑剂。

1.3 胎体试样制备

为研究固体润滑剂表面镀镍对自润滑孕镶金刚石钻头胎体力学性能的影响，需要制备复合胎体试样进行力学性能测试。孕镶金刚石钻头胎体试样基本配方为：FeCu30体积分数为96%，固体润滑剂体积分数为4%。实验所制备胎体试样配方见表2。

表2 胎体试样配方Tab.2 Formulation of specimens of matrix

用于抗弯强度和硬度测试的试样尺寸为5 mm ×5 mm × 30 mm。每种配方的试样制备2 块，以其平均值作为测试值。试样烧结设备为SM100-E 型自控智能烧结机，烧结温度为900 ℃，成形压力为15 MPa，保温时间3 min。

1.4 力学性能测试

采用HR-150A 型洛氏硬度计进行孕镶金刚石钻头胎体复合材料的硬度测试。测试前，先将待测试样的上、下压制面在砂纸上进行打磨抛光，而后在每个试样的上、下2 个压制面选取4 个点进行测试，并取8 个实验点测得的平均硬度作为该配方的硬度测量值。

采用三点弯曲法对孕镶金刚石钻头胎体复合材料进行抗弯强度试验，测试设备为WE-30 型液压万能材料试验机。所采用的加载速度为10 N/s，跨距为24.5 mm。试验结果按式（1）进行计算：

式中：σ为试样的抗弯强度，MPa；p为试样断裂时所施加的荷载，N；l为跨距，mm；b为试样的宽度，mm；h为试样的高度，mm。

2 固体润滑剂表面镀镍效果及分析

2.1 MoS2

化学镀覆前后的MoS2表面形貌如图2所示。由图2a 可以看出：镀覆前的MoS2整体上呈块状，表面有较多的小块碎屑，且块体内部孔隙、裂隙较多，层状特征较为明显。由图2b 可以看出：镀覆后的MoS2块体表面比镀覆前更为粗糙，原来表面上的碎屑被镀覆层覆盖连接，在其层状边缘处形成密密麻麻的晶胞颗粒。

图2 化学镀覆前后MoS2 的表面形貌Fig.2 Surface morphology of MoS2 before and after chemical plating

在敏化、活化过程中，Sn2+将Pd2+还原成Pd，而Pd 则会被Sn2+和过量的Cl-所包覆，形成带负电的胶体吸附在粗化后的固体润滑剂表面上。化学镀过程中，解胶后的钯为活化点，催化镀液中Ni 离子的还原，而后利用金属的自身还原作用得到一定厚度的镀层。

MoS2粉末为外部黏附有碎屑、内部富含裂隙的块体结构。受尖端效应的影响，解胶后的Pd 金属会首先聚集在MoS2的边缘或异形点（例如碎屑端点、裂隙边缘等）。由于镀层在Pd 活化中心生长较快，但MoS2表面的碎屑会因为镍镀层的生长而与固体润滑剂黏结成一体，MoS2内部大的裂隙则导致镀层无法连续延伸，从而在层状边缘形成了一个个胞体。

2.2 WS2

化学镀覆前后的WS2表面形貌如图3所示。由图3a 可知，镀覆前的WS2呈薄片状，表面光滑。由于薄片的脆性太大，其尺寸大小不一，小尺寸的薄片碎屑会呈团簇状聚在一起，且内部含有大量的孔隙。图3b 表明：解胶后的钯金属会首先附着在团簇体的边缘，大尺寸的WS2薄片表面也会有少量钯金属形成活化中心。由于团簇体不是一个完整的块体，其间薄片碎屑数量众多，间隙繁杂、尺寸不一，一方面导致团簇体表面的活化中心点密度比大尺寸的WS2薄片更高，另一方面却由于金属镍无法在活化中心生成后延伸连通至其余层面，从而只能在团簇体之间生成松散的镍镀层。与此同时，相对大尺寸的WS2薄片表面也有明显的生长核，形成的镍镀层也相对更为致密。

图3 化学镀覆前后WS2 的表面形貌Fig.3 Surface morphology of WS2 before and after chemical plating

2.3 CaF2

化学镀覆前后的CaF2表面形貌如图4所示。图4a 可以看出，CaF2在镀覆前为块状结构，边缘棱角分明，断面可见大量凸棱，且表面有许多碎屑杂质，是一种典型的机械破碎后的形貌。图4b 可以看出：镀覆后CaF2表面有胞状物突起，得到的镀层胞状物大小较均匀，排列紧密，布满CaF2表面，形成挤压关系，且原有凸棱被一种密集的瘤状形貌所覆盖，整体变得圆润。其中，每一个瘤状形貌都是化学镀过程中镍镀层以活化中心Pd 为核心进行化学还原、生长的结果。一个个中心生长的瘤状形貌不断生长最后接触连接，形成1层完整的金属镍镀层。

图4 化学镀覆前后CaF2 的表面形貌Fig.4 Surface morphology of CaF2 before and after chemical plating

3 自润滑钻头胎体力学性能分析

对表2 的6 组自润滑孕镶金刚石钻头胎体试样分别进行洛氏压入硬度测试和三点抗弯强度测试，获得其测试结果如图5所示。

图5 自润滑胎体试样力学性能测试结果Fig.5 Mechanical properties of self-lubricating carcass specimens

前期研究结果表明[17]，体积分数为100%的FeCu30制成的相同尺寸的试样的硬度为98 HRB、抗弯强度为1 200 MPa。

由图5 可以看出：添加了未镀镍的3 种固体润滑剂粉末的自润滑孕镶金刚石钻头胎体与常规金刚石钻头胎体相比，添加了未镀镍的MoS2胎体硬度降低了12.2%、抗弯强度降低了25.7%；添加了未镀镍的WS2胎体硬度降低了1.3%、抗弯强度降低了22.7%；添加了未镀镍的CaF2胎体硬度降低了8.0%、抗弯强度降低了22.1%。因此，添加固体润滑剂会在不同程度上导致孕镶金刚石钻头胎体的力学性能下降。分析认为，对于镶嵌或部分镶嵌在胎体中的固体润滑剂而言，其与胎体之间未发生冶金结合，造成胎体和固体润滑剂表面结合强度低，形成类似微小空腔结构，并最终导致胎体的压入硬度和抗弯强度等力学性能下降。

镀镍MoS2、WS2粉末的自润滑孕镶金刚石钻头胎体与未镀镍MoS2、WS2粉末的自润滑孕镶金刚石钻头胎体相比：MoS2表面镀镍后，自润滑钻头胎体的硬度提高了10.0%、抗弯强度提高了2.8%；WS2表面镀镍后，润滑钻头胎体的硬度提高了4.0%、抗弯强度提高了15.5%。可以看出MoS2和WS22 种固体润滑剂的表面金属化改性处理可以增强自润滑孕镶金刚石钻头胎体的力学性能。这是由于固体润滑剂表面的Ni 镀层起到了增强粉末颗粒与胎体材料之间结合强度的作用，从而提升复合胎体整体的力学性能。

CaF2镀覆前后其对孕镶金刚石钻头胎体力学性能的影响基本不变，压入硬度降低0.1%，抗弯强度提高1.1%。分析认为，CaF2为块状结构，粒度比MoS2和WS2大，且脆性比MoS2和WS2小，试样制备过程中CaF2的颗粒尺寸和形貌不会发生明显变化，表明CaF2颗粒尺寸对自润滑孕镶金刚石钻头胎体力学性能的影响会大于其表面金属化造成的影响。

对3 种固体润滑剂进行对比分析可知：MoS2、WS2、CaF23 种固体润滑剂有着不同的微观形态，镀覆效果最好的为CaF2粉末，但表面金属化改善自润滑钻头胎体效果更好的却是MoS2和WS2。其中，未镀覆的WS2对钻头胎体力学性能的影响相对较低，且WS2表面镀镍后自润滑孕镶金刚石钻头胎体的压入硬度和抗弯强度显著提高。分析认为，未镀镍的WS2为片状结构，脆性是三者之中最强的，在试样制备过程中还会被进一步粉碎，导致其在钻头胎体中的弥散性更好，从而对钻头胎体力学性能的影响相对较小。表面金属化处理后，WS2表面镀覆的镍镀层虽然不如MoS2和CaF2表面的镍镀层致密，但还是可以提高WS2和钻头胎体之间的连接强度。因此，镀覆效果的好坏并不能直接影响到胎体的力学性能，还要考虑到其他方面的因素，如固体润滑剂本身的性质，颗粒大小等。

4 结论与建议

（1）通过化学镀对固体润滑剂表面改性是可行的，固体润滑剂的微观表面形态对镀覆效果有显著影响，晶体较为完整均匀的，其镀覆效果更佳。

（2）与常规孕镶金刚石钻头胎体相比，加入不同固体润滑剂会在不同程度上导致孕镶金刚石钻头胎体力学性能下降。

（3）化学镀覆前后对比发现，添加了MoS2胎体的硬度提高了10.0%、抗弯强度提高了4.8%；添加了WS2胎体的硬度提高了4.0%、抗弯强度提高了15.5%；添加了CaF2胎体的硬度与抗弯强度基本不变。

（4）通过对固体润滑剂表面化学镀镍实现与胎体成分之间结合强度的增强，从而增强胎体的力学强度。后续研究应从粉末改性、制备工艺等方面继续探索增强固体润滑剂与基体组分润湿性的方法。