快速持久電鍍金剛石鉆頭的研制

陳學民

摘要：電鍍金剛石鉆頭是利用復合電鍍的原理，在低溫下進行，不損傷金剛石。鉆頭具有時效快、壽命長等優(yōu)點。本文介紹了快速持久電鍍金剛石鉆頭生產工藝，研究了鍍液的配制及各成分的作用，設計了相關工裝模具，選擇確定適合的金剛石參數(shù)，與熱壓孕鑲鉆頭和普通電鍍鉆頭進行了試驗比較，討論了有關常見電鍍鉆頭的不良現(xiàn)象及解決方法。

關鍵詞：快速；持久；電鍍；金剛石；鉆頭

一、前言

電鍍人造金剛石地質鉆頭是一種超硬材料電鍍制品。超硬材料電鍍制品是以金屬為結合劑，以超硬材料即金剛石或立方氮化硼為磨料，通過電結晶作用，把超硬材料固結在金屬鍍層上的一種超硬材料工具[1]。由于制造這種制品具有設備簡單、操作方便、產品質量穩(wěn)定、投資少、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，所以發(fā)展很快。目前，這類產品已經(jīng)在生活、醫(yī)療、機械工業(yè)、航天工業(yè)、半導體工業(yè)以及冶金、工程和地質勘探等領域發(fā)揮著越來越大的作用。

二、原理

在鍍覆溶液中加入非水溶性的固體微粒，使其與主體金屬共同沉積形成鍍層的工藝稱之為復合鍍。采用電鍍的工藝稱之為復合電鍍；若采用化學鍍的工藝則稱之為復合化學鍍。原則上，凡可鍍覆的金屬均可作為主體金屬，但研究和應用較多的是鎳、鉻、鈷、金、銀、銅等幾種金屬。作為固體微粒主要有兩類，一類是提高鍍層耐磨性的高硬度、高熔點的微粒；一類是提高鍍層自潤滑特性的固體潤滑劑微粒。以超硬材料作為分散微粒，與金屬形成的復合鍍層，稱為超硬材料復合鍍層[1]。本文介紹的電鍍金剛石鉆頭就是以人造金剛石作為固體微粒，以鎳、鈷金屬作為主體金屬，以提高鍍層的硬度和耐磨性為目的的一種復合電鍍方法制得的。通過電鍍的原理，不斷在鉆頭唇面上結晶沉積上一層又一層金剛石與鎳、鈷合金的鍍層，直到鍍覆達到要求為止。

考慮到鉆頭的快速鉆進速率，在鋼體外形設計上，鉆頭的各齒設計成斜齒狀。同時，為了延長電鍍鉆頭的壽命，鍍液中加入了適量的稀土元素鈰。

三、工藝設計

考慮到電鍍鉆頭基本上是采用埋砂法而鍍履上金剛石，故設計砂托以易于操作。同時，由于需要多層金剛石不斷地沉積，故設計內控與外控以控制鉆頭的內徑和外徑，并使鍍層牢固。

2、電鍍鉆頭生產工藝

2.1 鍍前處理

（1）鋼體處理：鋼體打字→汽油清洗兩遍→ 去污粉刷洗→去氧化皮。

（2）金剛石處理：王水浸泡24h→自來水洗凈→氫氟酸浸泡24h→自來水洗凈→ 蒸餾水洗凈。

2.2 電化學除油

用水砂紙打磨→清水沖洗→ 40%鹽酸浸泡5-8min→清水洗凈→堿液電解除油3-5 min→清水洗凈→20%鹽酸浸泡5-8 min→清水

洗凈→5%稀硫酸浸泡5-8 min。

2.3 入槽

帶電入槽→ 沖擊30s（自動反向40—60 min）→ 鍍鎳3-4h。

2.4 包扎

填充后出槽→上內芯和砂托→包扎→上水口塞→離子水洗凈

帶電入槽→沖擊30s（自動反向1h）→鍍鎳3-4h。

2.5 上砂（填充金剛石）

調節(jié)好電流，上砂（自動反向5-10 min） 上砂20—40 min 倒砂（自動反向15—20 min） 繼續(xù)鍍鎳10-12h 重復上述上砂步驟，外徑鍍層達到尺寸后上外控，內徑鍍層達到尺寸后上內控 反復上砂18-24次完成上砂過程，解緩（拆卸掉內、外控，自動反向40—60 min）。

2.6 出槽

出槽時拆卸掉鉆頭的所有包裝物，并用清水沖洗鍍件及模具，然后離子水洗凈收好。

2.7 去氫

鍍好的鉆頭用清水冼凈→沸水浸泡3-5min→放入烘箱，去氫處理。

2.8 表面處理

用水砂紙打磨→清水沖洗→20%鹽酸浸泡5-8min→清水洗凈 在光亮鍍鎳溶液中電鍍30-50min。

3、電鍍過程有關參數(shù)

3.1 電解除油的堿液配比

Na2CO3 50g/l ； Na3PO4 30g/l ； Na2SiO3 6g/l

電化學除油除了具有化學除油的皂化與乳化作用外，還具有電化學作用。在電解條件下，電極的極化作用降低了油與溶液的界面張力，溶液對零件表面的潤濕性增加，使油膜與金屬間的黏附力降低，使油污易于剝離并分散到溶液中乳化而除去。在電化學除油時，不論是工件作為陽極還是陰極，金屬與溶液界面所釋放的氧氣或氫氣在溶液中起乳化作用。因為小氣泡很容易吸附在油膜表面，隨著氣泡的增多和長大，這些氣泡將油膜撕裂成小油滴并帶到液面上，同時對溶液起到攪拌作用，加速了零件表面油污的脫除速度。

本文使用的方法是陰極除油。其特點是在工件上析出氫氣，即2H2O+2e→H2↑十20H一，除油時析氫量多，分散性好，氣泡尺寸小，乳化作用強烈，除油效果好，速度快，不腐蝕零件。

3.2 電鍍過程相關參數(shù)

溫度T：室溫（25℃左右） PH值：3.5-4.5

電流密度Dk：0.7-1.2A/dm2 槽電壓U：10-14V

去氫處理溫度T：200-230℃，保溫2h

此電鍍過程是在常溫下進行，在酸性條件下進行電鍍，電鍍時間需要11-13天。

電鍍后的鉆頭放入烘箱進行去氫處理。之所以進行去氫，是因為在除油過程和電鍍過程中，往往伴隨有氫離子還原析氫的副反應。氫還原一部分變成氣體逸出，還有一部分以氫的原子形態(tài)滲入到鍍層和基體金屬晶格的點陣中去，造成晶格歪扭，鉆頭內應力增加，鍍層和基體變脆，人們稱之為氫脆[1]。氫脆對材料的力學性能危害很大，如不除去，會影響到電鍍鉆頭的壽命。

4、金剛石參數(shù)的確定

由于電鍍的一些特殊需要，在金剛石的選擇上有一些特別的要求，比如：金剛石的晶形、強度以及粒度組成等。

4.1 晶形：金剛石顆粒形狀應當盡量規(guī)則，等積形結構。

4.2 強度：因為電鍍鉆頭主要用于地質勘探方面，要求金剛石有好的抗沖擊性和高耐磨性，因而需選用MBD8及以上級別的中高強度金剛石。

4.3 粒度組成：根據(jù)鉆探的要求不同，主要選用45/50為主要粒度，并配以其它一些更粗或更細的粒度，以適應鉆探的高時效或耐磨性要求。

4.4 磁性雜質：由于人造金剛石的生成機理，難免會在其內部生成含鐵等金屬的一些雜質，磁性雜質越多，電鍍鉆頭的結瘤現(xiàn)象就會越嚴重，嚴重影響鍍層的包鑲致密性和整平性。因而，電鍍鉆頭最好選擇使用不含磁或含磁性低的金剛石。斜齒電鍍鉆頭的平均鉆進速率比普通電鍍鉆頭與熱壓鉆頭的速率更高，而其壽命，即進尺深度與熱壓孕鑲鉆頭的相當并略有提高。

六、結論

1、電鍍鉆頭制作的最大特點是低溫，電鍍過程是在室溫下完成，即使是去氫的溫度也不超過230℃，這樣的溫度對于保證金剛石強度十分有利，不必考慮熱壓孕鑲鉆頭制作過程中對金剛石的熱損害。

2、通過快速持久電鍍鉆頭的研制可知，主要從外形設計提高鉆頭進尺速率，加入稀土元素提高鉆頭壽命。通過實踐，此工藝能得以應用，說明電鍍液配方合理，并且鍍液成分相對簡單，性能較穩(wěn)定，工藝可行，容易掌握，操作方便。

3、實踐證明，快速持久電鍍鉆頭具有時效高、壽命長等優(yōu)點。經(jīng)過與普通電鍍鉆頭與熱壓孕鑲鉆頭的實地鉆探試驗比較，此種電鍍鉆頭的速度比普通電鍍鉆頭與熱壓鉆頭的速度更快，而壽命與熱壓鉆頭的相當。這樣就更有利于鉆探成本的降低和速率的提高。endprint