提高電鍍金剛石鉆頭質(zhì)量的試驗研究

陳 洋，高玉彬

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局409隊湖南狀元公司，湖南 永州 425000)

電鍍金剛石鉆頭具有許多優(yōu)勢，例如對巖層的適應(yīng)性較好，鉆進(jìn)速度較高等；但是電鍍金剛石鉆頭也存在最大的弱點，即鉆頭的保徑效果很不理想，導(dǎo)致電鍍金剛石鉆頭的使用受到了一定的局限。例如，在深部繩索取芯鉆探中，雖然鉆頭的工作層仍然具有工作能力，但鉆頭的內(nèi)外徑磨損較快，使得電鍍金剛石鉆頭失去繼續(xù)使用的價值，不得不提前退出使用，而提鉆換新的鉆頭，這必然又延長施工期限，提高了鉆探成本。同時，由于電鍍中不可避免的針孔，鉆頭胎體的耐磨性較低。針對這些現(xiàn)狀，鉆頭廠商都在研究解決的措施，例如長江電鍍金剛石鉆頭公司，研究鑲焊聚晶體保徑，雖然保徑效果有明顯提升，但鉆頭的內(nèi)外徑極不規(guī)范，嚴(yán)重超標(biāo)，不少鉆頭難以下孔鉆進(jìn)，只得中途提鉆換鉆頭，給鉆探生產(chǎn)帶來不便[1-2]。

因此，必須對電鍍金剛石鉆頭的制造工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高電鍍金剛石鉆頭的保徑效果，提高電鍍金剛石鉆頭的耐磨性，達(dá)到提高鉆頭的使用壽命和適應(yīng)性的目的。

1 鉆頭耐磨性較低和保徑較差的原因分析

1.1 析氫的影響

從電鍍原理可知，電鍍液通以直流電以后，就會在陰極與陽極上發(fā)生一系列的電化學(xué)反應(yīng)，陽極上產(chǎn)生氧化反應(yīng)，溶解陽極金屬，補充鍍液中消耗的金屬離子，并析出氧氣；而陰極上產(chǎn)生還原反應(yīng)，沉積金屬原子而形成鍍層，同時析出氫氣。

氫氣泡細(xì)小，氫氣泡析出后，其中一部分不會自行脫離陰極(即被鍍鉆頭體)表面，而是牢牢地附著在電鍍層的表面，占據(jù)鉆頭胎體的表面和一定體積，隨著電沉積的連續(xù)進(jìn)行，被氫氣泡覆蓋的表面就會鍍不上金屬鍍層，逐步形成空隙或針孔，造成電鍍層表面不平整和電鍍層的組織結(jié)構(gòu)不致密，電鍍層的硬度與耐磨性等力學(xué)性能下降[1-5]，見圖1所示。

圖1 普通方法電鍍的金剛石鉆頭

由于電鍍工藝參數(shù)等條件的影響，電鍍過程中的電流效率達(dá)不到100%，即使通過電鍍工藝參數(shù)的優(yōu)化，電流效率也只能達(dá)到95%左右，總有一部分電流用于析出氫氣，析出的氫氣就是造成針孔和節(jié)瘤的原因。

1.2 金剛石與鍍液中雜質(zhì)的影響

電鍍金剛石鉆頭不同于普通電鍍合金，它是在電鍍過程中將金剛石包鑲在合金鍍層內(nèi)，鍍層厚度可達(dá)8～12mm，或更厚一些。這么厚的鍍層內(nèi)包含有15～18層的金剛石顆粒；且包鑲是呈無序排列分布的，這樣累積的結(jié)果便使得電鍍層表面很不平整，鍍層表面逐步出現(xiàn)凸起和凹陷；隨著電鍍進(jìn)行，這種不平整越來越明顯，而凸起部分在卸去金剛石后裸露在鍍液中，離陰極相對較近，更容易得到金屬離子，沉積速度更快，這樣就出現(xiàn)了非良性循環(huán)，造成鍍層的不平整度越來越突出[6-9]。

鍍液中的其它雜質(zhì)，例如金屬鐵離子等以及有機(jī)雜質(zhì)，對鍍層內(nèi)針孔形成與鍍層的平整度的影響和金剛石的影響是不一樣的，但結(jié)果基本相同，只不過沒有金剛石影響得這么明顯。

由此可知，析氫和金剛石顆粒對電鍍層質(zhì)量的影響是明顯的。隨著電鍍金剛石一層一層加厚，不平整度越來越明顯，一直發(fā)展到出現(xiàn)節(jié)瘤，節(jié)瘤的發(fā)展會形成更明顯的孔隙；這樣的鍍層力學(xué)性能較差，包鑲金剛石的強度下降，造成金剛石鉆頭的質(zhì)量下降；當(dāng)這種鍍層發(fā)生在鉆頭的內(nèi)外徑部位，其保徑效果必然很差；發(fā)生在工作層內(nèi)部，鉆頭的使用壽命必然降低。

同時，電鍍金剛石鉆頭使用的模具多為塑料模具，其硬度與耐磨性差，實踐表明，使用幾次后其表面粗糙度增加，吸附氫氣泡的能力增強，造成鉆頭內(nèi)外徑鍍層內(nèi)針孔增多，內(nèi)外徑鍍層的硬度與耐磨性明顯下降，以至電鍍金剛石鉆頭的保徑效果非常不好。

2 提高電鍍鉆頭質(zhì)量的措施

由上述分析可知，提高電鍍金剛石鉆頭質(zhì)量和應(yīng)用范圍的一個重要途徑是提高電鍍金剛石鉆頭胎體層的致密度，提高鉆頭的保徑效果，其基本思路是減少甚至消除電鍍金剛石鉆頭鍍層內(nèi)的針孔和節(jié)瘤。

常常采用的技術(shù)措施：二次入槽、二次成型技術(shù)，陰極移動技術(shù)以及采用化學(xué)試劑處理等方法[1，4]，這些方法均能夠?qū)崿F(xiàn)電鍍胎體鍍層針孔率明顯降低，甚至基本無針孔的效果。

2.1 采用陰極移動

2.1.1 陰極移動的原理

陰極移動就是利用一個移動裝置，將需要電鍍的金剛石鉆頭置于該移動車上，隨著移動車按照一定頻率來回移動，將電鍍層上的氣泡沖刷掉，加上移動裝置的滑道上設(shè)有突起點，移動時給移動車產(chǎn)生一定的振動力。因此，采用移動方法能可靠而有效地去除氫氣泡在鍍層上的滯留，預(yù)防鍍層出現(xiàn)針孔。同時，還能夠?qū)﹀円哼M(jìn)行一定程度的攪拌作用，促使鍍液流動，有利于降低鍍液的濃差極化，提高電流密度和電鍍速度。雖然移動輔助設(shè)備簡單，易制作，成本低，但幾乎沒有鉆頭廠家能夠認(rèn)識該技術(shù)的優(yōu)勢，從而采用陰極移動方法消除鍍層針孔。本文的目的就是提倡采用陰極移動方法，提供陰極移動技術(shù)，消除鍍層中的針孔，提高電鍍金剛石鉆頭的質(zhì)量。

采用陰極移動方法是利用直流電機(jī)驅(qū)動偏心輪，帶動移動車來回運動；結(jié)構(gòu)簡單、可靠，多槽時各槽之間采用聯(lián)動方式；單槽移動裝置結(jié)構(gòu)原理見圖2所示。移動裝置的原理很簡單，利用直流電機(jī)帶動偏心輪回轉(zhuǎn)，偏心輪帶動鉆頭支架來回移動，鉆頭在支架上隨支架移動，鍍液被攪動，流動的鍍液沖擊鉆頭的被鍍部分，將氫氣泡驅(qū)趕，達(dá)到氫氣泡無法滯留在鍍層表面的目的，這樣就避免了針孔形成[13-14]。

圖2 鉆頭移動車結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.2 移動參數(shù)設(shè)計

陰極移動車的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該視鍍槽的大小而確定?，F(xiàn)多數(shù)鉆頭廠采用單槽布局的模式，電鍍液槽的規(guī)格為：長45～50cm、寬30～35cm、深35～40cm；移動參數(shù)為移動頻率和移動的距離；具體的移動頻率和移動距離要求，應(yīng)依據(jù)鉆頭的規(guī)格和一槽內(nèi)電鍍鉆頭的數(shù)量而定。試驗設(shè)計中移動參數(shù)為：移動頻率和移動距離；檢測質(zhì)量的目標(biāo)為電鍍金剛石鉆頭胎體中的孔隙度。

移動頻率的考慮依據(jù)是驅(qū)除氫氣泡的能力和對鍍液濃差極化的影響程度。最佳的移動頻率(移動速度)是鍍層表面幾乎沒有氫氣泡；當(dāng)電流密度達(dá)到3.5A/dm2時，不會出現(xiàn)鍍焦或不良鍍層；鍍槽內(nèi)的鍍液也不會激起有害的波動。

移動頻率與移動距離有一定的交互影響，存在優(yōu)化配合值。設(shè)計移動距離時，在移動頻率一定的條件下，移動距離越大，對鍍液的攪動就越大，驅(qū)除氣泡的能力越強，鍍液的濃差極化就會越小。同樣，在移動距離一定時，移動頻率越高，也會收到同樣的效果[2,15]。

鑒于上述的分析和鍍槽的基本規(guī)格，如果一槽電鍍5個Φ75的金剛石鉆頭，保持鉆頭之間的合理間距，在左右移動方向上只有6～7cm的空間可供選擇，移動裝置上偏心輪的偏心距設(shè)計為5cm；也就是說，鉆頭在移動支架上向左可移動距離為5cm，向右也可移動5cm，左右各留1cm空間作為安全距離[2]。由于移動車在向一個方向移動后，會突然改變運動方向，對于去除氣泡的效果會得到加強。

當(dāng)移動距離5cm固定后，鉆頭移動后產(chǎn)生的去除氫氣泡的效果就決定于移動速度或移動頻率。因此，真正的設(shè)計變量只有鉆頭的移動速度了。移動的目的是利用鉆頭在鍍液中移動時，鍍液與鉆頭產(chǎn)生相對運動，鍍液對鉆頭產(chǎn)生沖刷作用，將氫氣泡趕跑，最終使得鍍層表面不滯留氫氣泡，不產(chǎn)生針孔，增加鍍層的致密性和耐磨性。依據(jù)初步試驗資料，設(shè)計鉆頭移動速度在25～45次/min范圍內(nèi)試驗比較合理，以鍍層表面出現(xiàn)的針孔數(shù)作為衡量移動速度的合理值。試驗安排和試驗結(jié)果見表1所列。

表1 鉆頭移動與普通方法的試驗對比

2.1.3 鍍層孔隙率

對陰極移動電鍍試件 (電流密度為3.5A/dm2)進(jìn)行了4次試驗，獲得4個試件；普通電鍍一個試件，共5個試件；電鍍時間4個小時。檢測方法為：在5個鍍面貼上浸有檢驗液(10g/L 鐵氰化鉀和 20g/L 氯化鈉 )的濾紙，時間 10min；將畫有方格的玻璃板(方格面積為1cm2) ，放在印有孔隙斑痕的濾紙上，數(shù)出每個方格內(nèi)含有顏色的斑點數(shù)，分別計算鍍層金屬的孔隙率，檢測出的斑點數(shù)即鍍層的孔隙率，記入表1中，計算公式如下：

η=n/S

式中:n——孔隙斑點數(shù)，個數(shù);

S——被測鍍層面積，cm2。

2.1.4 陰極移動的鉆頭試驗效果

試驗表明，在現(xiàn)有的鍍槽規(guī)格和鉆頭數(shù)量的條件下，移動頻為在25次/min時，可以看到鍍層上明顯有氫氣泡滯留，孔隙率為5；鉆頭移動頻率30次/min時，出現(xiàn)輕微波動，孔隙率明顯下降，孔隙率為3；鉆頭移動頻率35次/min時，鍍液就出現(xiàn)小幅波動，孔隙率很低；移動頻率45次/min時出現(xiàn)較明顯的鍍液波動，雖然檢測不到氣泡，孔隙率為零，但鍍液波動大不宜采用。因此，采用30次/min和35次/min的移動頻率是比較合理的。

移動試驗中，首先進(jìn)行試塊試驗，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行鉆頭試驗。

試塊試驗的試件規(guī)格為(10×10×15)mm，采用相同鍍液與電鍍參數(shù)制成；進(jìn)行普通電鍍與移動鉆頭兩種方法試驗對比；鉆頭移動頻率30次/min，移動距離6cm，獲得試驗鍍件；測試鍍件的耐磨性，測試前對試樣進(jìn)行打磨平整，去除鍍層上的節(jié)瘤。測試條件為：設(shè)備為MPx-2000型摩擦磨損試驗機(jī)；試驗參數(shù)：壓力5.5MPa，轉(zhuǎn)速1100r/min,時間為10min，以檢測磨損前后的失重表示胎體的耐磨性能。各測試5個試件，普通電鍍試塊的失重平均為20.3mg，而采用移動裝置的電鍍試塊的失重平均只有18.2mg，效果是明顯的。

采用相同的試驗參數(shù)，試驗了75mm普通單管鉆頭，金剛石參數(shù)為：粒度40/45目占60%與50/60目占40%，上金剛石的時間為12min；一天上2次金剛石，電流密度1.2A/dm2，鍍液溫度30℃～32℃，上金剛石16層，鍍層厚度約9mm；鉆頭移動為30次/min；電鍍后金剛石鉆頭的外部形貌見圖3所示，經(jīng)檢測，鍍層致密，平整而美觀；電鍍鉆頭胎體的力學(xué)性能有明顯提高，其質(zhì)量明顯優(yōu)于普通電鍍金剛石鉆頭(對比圖1)，電鍍鉆頭的外觀也得到極大的改善。通過在湖南萍鄉(xiāng)某礦區(qū)試驗，主要巖石為可鉆性8級的石英角閃巖，與在該礦區(qū)使用的本公司普通電鍍金剛石鉆頭相比，鉆頭的鉆速穩(wěn)定，鉆頭的使用壽命提高了21.2%，鉆進(jìn)時效基本接近，效果是明顯的。對比結(jié)果見表2所列。

表2 鉆頭移動與普通方法效果對比

圖3 采用移動裝置電鍍金剛石鉆頭

2.2 二次成型鉆頭試驗

2.2.1 二次成型的原理

普通電鍍金剛石鉆頭時，必須全程套上塑料模具，以確保鉆頭的規(guī)格和精度要求。由于套上塑料模具，造成鉆頭內(nèi)外徑部位會聚集大量的氣泡，極不容易去除，其結(jié)果必然會在內(nèi)外徑鍍層中滯留大量的氣泡，形成大量的針孔，直接影響電鍍鉆頭的保徑效果。

二次成型技術(shù)是預(yù)先電鍍出金剛石鉆頭的工作層，然后再電鍍鉆頭的內(nèi)外保徑層；在電鍍鉆頭內(nèi)外保徑層時，無需套上塑料模具，實現(xiàn)開放式電鍍，鉆頭的內(nèi)外徑全部裸露在鍍液中，因此，氣泡不容易滯留在電鍍鉆頭的胎體表面，塑料模具的影響降到零。加上鍍液中加入了十二烷基硫酸鈉或雙氧水等化學(xué)試劑，創(chuàng)造了氣泡不易滯留的環(huán)境與條件，能夠確保二次成型電鍍金剛石鉆頭取得較好的效果。

2.2.2 二次成型試驗

二次入槽、二次成型電鍍技術(shù)是將鉆頭工作層電鍍和鉆頭內(nèi)外徑電鍍分開進(jìn)行，以確保電鍍金剛石鉆頭的良好保徑效果，保證電鍍鉆頭的良好性能和工作特性。

當(dāng)鉆頭第一次入槽后，先預(yù)鍍底層，加一層金剛石，當(dāng)金剛石被完全包鑲之后，套上特制的鉆頭內(nèi)外徑模具，防止內(nèi)外徑繼續(xù)電鍍；特制的內(nèi)外徑模具有利于實現(xiàn)跟模加金剛石。之后按照電鍍金剛石鉆頭的程序，只電鍍鉆頭的工作層，一直電鍍到工作層高度滿足后，鉆頭出槽，卸去特制的內(nèi)外徑模具，完成第一次入槽電鍍金剛石鉆頭工作層的工作。

接著對鉆頭進(jìn)行第二次入槽電鍍，對鉆頭內(nèi)外徑進(jìn)行加金剛石復(fù)合電鍍，其工序如下：

對第一次出槽的鉆頭進(jìn)行卸模、清洗，置于蒸餾水中；接著進(jìn)行陽極活化，熱水、冷水清洗；之后在活化浸蝕液中再次進(jìn)行活化浸蝕，時間4min；活化浸蝕后立即進(jìn)入沖擊電鍍工序，電流密度3～5A/dm2，時間4～6min，并攪拌鍍液；沖擊電鍍后轉(zhuǎn)入正常電鍍金剛石鉆頭的鍍液中，進(jìn)行正常電鍍程序。當(dāng)達(dá)到鉆頭內(nèi)外徑規(guī)格要求后，即完成了二次入槽、二次成型電鍍金剛石鉆頭的工作。

二次入槽、二次電鍍工藝的關(guān)鍵是二次入槽的鍍前處理與工藝，其中必須把好二次入槽處理液的配制和工藝參數(shù)制定這兩個關(guān)鍵問題；經(jīng)過多次研究與試驗，總結(jié)整理出如下二次入槽處理液成分與工藝參數(shù)：

氯化鎳 210g/L

鹽酸 180mL/L

鍍液溫度 32～35℃

浸泡時間 4min

電流密度 3.5A/dm2

時間 6min。

在上述處理液中，經(jīng)過二次入槽處理工藝后，接著轉(zhuǎn)入正常電鍍槽內(nèi)進(jìn)行沖擊和不加金剛石電鍍，電流密度2.2A/dm2，沖擊電鍍3min；之后轉(zhuǎn)入正常加金剛石電鍍程序中，電流密度為1.2A/dm2。

2.2.2 試驗結(jié)果分析

本次試驗只是一次嘗試，僅僅試驗電鍍鉆頭的內(nèi)外徑致密程度，由于不便作試塊試驗，故沒有檢測其密度、硬度等力學(xué)性能，只能檢測鉆頭的外部形貌，并進(jìn)行野外鉆進(jìn)試驗。試驗鉆頭為直徑75mm的繩索取芯鉆頭，二次成型好的電鍍金剛石鉆頭的外部形貌見圖4所示。對外部形貌放大檢測表明，鉆頭鍍層致密而平整，看不到有明顯節(jié)瘤，鉆頭的內(nèi)外徑平整、光滑、美觀，電鍍鉆頭胎體的密實度有明顯提高，保徑效果明顯優(yōu)于圖1所示的普通電鍍金剛石鉆頭。試驗鉆頭的效果還在于，鉆頭的內(nèi)外徑與工作層能夠基本實現(xiàn)同步磨損，也就是當(dāng)電鍍鉆頭的內(nèi)外徑磨損到極限值時，電鍍鉆頭的工作層也基本磨損完而失去工作能力，這正是試驗所期待的結(jié)果。試制的2只鉆頭，在新疆某礦區(qū)鉆進(jìn)，巖石為可鉆性8級的石英閃長斑巖，與本公司普通鉆頭對比試驗，效果見表3所列。相比之下鉆進(jìn)時效接近，鉆頭使用壽命優(yōu)于普通電鍍金剛石鉆頭；由于保徑效果提高，二次成型鉆頭的使用壽命提高18.3%。

圖4 二次成型電鍍金剛石鉆頭

表3 二次成型與普通方法鉆頭的對比

由此可知，二次成型電鍍金剛石鉆頭不會由于鉆頭的保徑效果不好而失去廣大的鉆探市場，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益是明顯的，值得推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

上述試驗結(jié)果可得出如下幾點結(jié)論：

(1)普通電鍍金剛石鉆頭的主要不足之處在于針孔和節(jié)瘤的影響，降低了鉆頭的硬度與耐磨性，影響了電鍍金剛石鉆頭的保徑效果和使用壽命，失去了廣大的鉆探市場。

(2)試驗表明，采用陰極移動方法可以明顯減少鍍層的針孔和節(jié)瘤，提高了鉆頭的耐磨性能，鉆頭的適應(yīng)性得到很大提升，鉆頭的使用壽命比普通電鍍金剛石鉆頭提高12.4m。

(3)采用二次成型方法，能夠明顯提高電鍍鉆頭的保徑效果，鉆頭工作層與保徑層基本實現(xiàn)同步磨損，延長了鉆頭的使用壽命(10.30m)。

(4)采用陰極移動方法和二次成型方法制造金剛石鉆頭已在本公司逐步獲得應(yīng)用；本論文的研究還處于不斷完善之中，取得的研究結(jié)果是有意義的，為電鍍金剛石鉆頭廠商提供了可供借鑒的技術(shù)支持。