1. 研究目的与意义（文献综述）

金刚石工具是指用金刚石的颗粒或粉末作为主要元素的一类工具产品。这类工具类型包括：切、磨、钻、铣、抛光。广义地讲，金刚石研磨膏、滚压锯片、冷镶金刚石拉丝模、冷镶金刚石刀具、钎焊金刚石复合片刀具等，也都属于金刚石工具。随着我国经济的不断发展，金刚石工具不仅被广泛用于民用建筑与土木工程、石材 加工业、汽车工业、交通工业、地勘与国防工业等领域和其它现代高新技术领域，而且在宝石、医疗器械、木材、玻璃钢、石材工艺品、陶瓷和复合非金属硬脆材料等众多新领域不断出现。^[1-2]金刚石工具的产生为许多艰难的硬脆非金属材料加工业带来了曙光，其加工效率明显地高于以往，金刚石工具以其无与伦比的性能优势，成为当今公认的、唯一有效的硬脆非金属材料加工工具。

随着竞争的加剧,国内外市场对金刚石工具提出 了更低成本、更高品质、更高效率的要求，原先产品大都使用钴、镍作为粘结相,但由于价格等原因,国内的金刚石生产厂家大都采用还原铁粉等价格低廉的铁粉作为代替品。^[3-5]作为结合剂材料，铁粉的优点有：价格低，与金刚石有好的润湿性；与骨架材料（wc）的相容性很好；一定温度烧结时铁对金刚石的轻度刻蚀并不损失金刚石的强度，反而会提高金刚石在胎体中的把持力。使用铁粉代替钴作为粘结剂是势在必行的方法。^[6-8]

虽然目前国内的金刚石刀片价格比进口的国外金刚石刀片价格要低很多，但是国内仍然有很大的进口量，原因在于国内的金刚石工具中的普遍采用还原铁粉作为结合剂材料，国外进口的金刚石工具普遍采用电解铁粉作为结合剂材料。^[9-10]用电解法可以获得各种不规则形状或树枝状的金属粉末;也可以获得不规则的状、瘤状、片状和针状的金属粉末。随着制粉条件的变化，可以制取不同粒度的金属 粉末。使用电解铁粉制作的金刚石工具刀片寿命长，强度高，切口平整光滑，而且进口刀片加工零件不伤边角。^[11-12]电解法是生产高纯铁的主要方法之一，这种方法制备出来的铁粉具有优异的物理性能，高纯铁具有与普通铁完全不同的性质，如耐腐蚀性，不产生低温脆性、优良磁导率等，在超高张力钢、耐腐蚀合金、原子反应堆等材料以及磁性材料、电子材料、非晶合金等专用材料方面有着广泛用途。^[13-15]电解铁粉特殊的树枝状结构可大幅提高把持力，无疑是生产金刚石刀具的最佳材料。^[16]在我国推广电解铁粉在金刚石工具中的应用首先必，解决生产中的工艺问题，使用还原铁粉的工艺在国内较为成熟,而使用电解铁粉作为原材料，对于粒度配比,烧结温度，压缩比,配方选择等方面者有待研究，通过研究能节约资源，降低劳动强度和生产成本，减少废品和提高产品竞争力。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容：

   电解法是生产高纯铁的主要方法之一，这种方法制备出来的铁粉具有优异的物理性能，高纯铁具有与普通铁完全不同的性质，如高耐腐蚀性，不产生低温脆性、优良磁导率等，在超高张力钢、耐腐蚀合金、原子反应堆等材料以及磁性材料、电子材料、非晶合金等专用材料方面有着广泛用途。正因为如此，对高纯度铁的生产研究近年来特别引人注目。

   汉衍新材料公司作为国内领先的电解铁厂家，目前已成功生产出了纯度为99.98%的高纯铁，活性铁成分在95%以上。

2. 技术方案：

   1 电解铁基本原理和条件

电解液为硫酸亚铁溶液，阳极使用钢板作为消耗电极，阴极为不锈钢板。在直流电作用下阴阳极分别可能发生如下反应：

为保证电解顺利进行，需要以下条件：

1. 直流电源，高电流密度，低电压。

2. 电解液合适的PH值和温度，并保持电解液的循环平衡。

3. 电解槽尺寸形状以及极间距离

   2 电解铁的生产流程

清洗阳极表面的油污及铁锈，然后把洗干净的钢板装入阳极柜内，在一定的条件下进行电解，收集阴极上电解出来的铁粉，经清洗、烘干、球磨、还原和包装后外销。

生产流程图如下图所示：

图1 电解铁生产流程

其中电解过程是生产环节中最重要的步骤，这一步骤受阴阳极板、电解液、电流密度等多个方面的影响。

2.1 准备工作及极板

生产使用800L大小电解槽多个，中转罐及池计5个，电解液由Fe₂SO₄.7H₂O溶于水获得。

阳极形状为板状，尺寸40cm*40cm，与阴极尺寸相同，阴阳极板间距4.5cm。电解铁的电解过程中其它杂质元素如钴、镍、铅等有可能随着铁共沉积析出，因此选用杂质元素较少的优质钢板对于生产高纯铁意义重大。阳极板大约每7天进行一次更换。采用不锈钢板作为阴极，导电均匀良好，前处理进行抛光处理便于铁的析出采集。极板均用布袋套住避免析出铁掉入电解槽和阳极泥污染电解液。

2.2 生产实践过程中影响因素

该厂电解生产高纯铁的电解液采用硫酸盐体系，Fe² 浓度为60g/L，并补充NH₄ 作为缓释剂来增强导电性和调节PH。生产过程中为了避免氢气的产生，顺利在阴极板上沉积高纯铁并生长一定厚度，需要在电解液的温度、PH值，槽间电压及电流密度等方面进行操控。如下表，是电解过程中的某些工艺条件及对应的参数。

表1 电解过程条件及参数

2.2.1 电解液温度

随着温度升高，铁的超电压比氢的超电压下降较快。温度较低时，可能会有氢气的产生，使得镀层质脆粗糙；温度过高时，对流极大，有可能形成酸雾。因此温度的控制对铁的沉积作用很大。受条件限制，目前仅在室温条件下（35℃）进行生产。

2.2.2 电解液PH

生产过程中发现，PH低于一定值时，阴极只发生析氢反应或者铁和氢气同时析出，只有当PH高于一定值（＞3.5）时，氢离子浓度较低时，阴极板上只沉积铁，更高PH（＞4）时，有害杂质元素如锰出现析出。增加铁粉或硫酸溶液可以调PH值。

2.2.3 电解液的循环平衡

随着反应的进行，离子随重力下沉，电解槽中浓度形成梯度，同时阳极柜下方电解液阳极泥堆积。因此，定时抽走阳极泥并对电解槽中电解液进行补充平衡很有必要。循环量在100L/min左右。

同时随着电解过程进行，电解液开始氧化，电解液出现浑浊和漂浮，补充铁粉可以维持Fe² 浓度。

2.2.4 槽压及电流密度

电解铁生产中，槽压是很重要的影响因素，同样为了抑制氢气的产生，槽电压控制在1V左右。

阴极电流密度较小时（＜150A/m²），得到的铁片韧性较好，有一定强度；随着电流密度的增大（＞300A/m²），氢离子的析出和氧化物沉析增多，得到的铁片翻皮变脆，更高电流密度（＞400A/m²）时甚至无法得到完整电解铁片。因此合适电流密度（200 A/m²）对于获得形貌性能良好的铁片尤为重要。

2.3 阴极沉积铁的后处理

根据需要定期采集阴极板上沉积的铁片，并及时进行后处理，后处理过程包括清洗、破碎、还原和包装等。

清洗过程在搅拌机中添加清洗搅拌进行，进行数次，同时添加保护剂进行防氧化处理；烘干过程在真空中完成，同时对铁片进行破碎得到粉末；氢还原炉中氢气氛围还原处理；最后铁粉根据需要进行筛分包装。

电解铁脆性很高，粉碎简单，磨碎后粒度均匀，全铁含量在99.98%，杂质元素含量在数个或十几个ppm。

3. 研究计划与安排

第1－3周 查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－12周 完成毕业论文主要研究内容等工作

第13周 总结实验数据。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 吴婉萍. 金刚石工具的现状与发展趋势[j]. 东方企业文化,2014,(01):247 251

[2] e. n. lysenko, a. p. surzhikov, s. p. zhuravkov, v. a. vlasov, a. v. pustovalov, n. a. yavorovsky.the oxidation kinetics study of ultrafine iron powders by thermogravimetric analysis[j]journal of thermal analysis and calorimetry, 2014, vol.115 (2), pp.1447-1452