快速持久電鍍金剛石鉆頭的研制

陳學(xué)民

摘要：電鍍金剛石鉆頭是利用復(fù)合電鍍的原理，在低溫下進(jìn)行，不損傷金剛石。鉆頭具有時(shí)效快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了快速持久電鍍金剛石鉆頭生產(chǎn)工藝，研究了鍍液的配制及各成分的作用，設(shè)計(jì)了相關(guān)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(jìn)行了試驗(yàn)比較，討論了有關(guān)常見(jiàn)電鍍鉆頭的不良現(xiàn)象及解決方法。

關(guān)鍵詞：快速；持久；電鍍；金剛石；鉆頭

一、前言

電鍍?nèi)嗽旖饎偸刭|(zhì)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(jié)合劑，以超硬材料即金剛石或立方氮化硼為磨料，通過(guò)電結(jié)晶作用，把超硬材料固結(jié)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(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、投資少、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展很快。目前，這類產(chǎn)品已經(jīng)在生活、醫(yī)療、機(jī)械工業(yè)、航天工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)以及冶金、工程和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)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(fù)合鍍。采用電鍍的工藝稱之為復(fù)合電鍍；若采用化學(xué)鍍的工藝則稱之為復(fù)合化學(xué)鍍。原則上，凡可鍍覆的金屬均可作為主體金屬，但研究和應(yīng)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(diǎn)的微粒；一類是提高鍍層自潤(rùn)滑特性的固體潤(rùn)滑劑微粒。以超硬材料作為分散微粒，與金屬形成的復(fù)合鍍層，稱為超硬材料復(fù)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(fù)合電鍍方法制得的。通過(guò)電鍍的原理，不斷在鉆頭唇面上結(jié)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(dá)到要求為止。

考慮到鉆頭的快速鉆進(jìn)速率，在鋼體外形設(shè)計(jì)上，鉆頭的各齒設(shè)計(jì)成斜齒狀。同時(shí)，為了延長(zhǎng)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)砂托以易于操作。同時(shí)，由于需要多層金剛石不斷地沉積，故設(shè)計(jì)內(nèi)控與外控以控制鉆頭的內(nèi)徑和外徑，并使鍍層牢固。

2、電鍍鉆頭生產(chǎn)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(lái)水洗凈→氫氟酸浸泡24h→自來(lái)水洗凈→ 蒸餾水洗凈。

2.2 電化學(xué)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(dòng)反向40—60 min）→ 鍍鎳3-4h。

2.4 包扎

填充后出槽→上內(nèi)芯和砂托→包扎→上水口塞→離子水洗凈

帶電入槽→沖擊30s（自動(dòng)反向1h）→鍍鎳3-4h。

2.5 上砂（填充金剛石）

調(diào)節(jié)好電流，上砂（自動(dòng)反向5-10 min） 上砂20—40 min 倒砂（自動(dòng)反向15—20 min） 繼續(xù)鍍鎳10-12h 重復(fù)上述上砂步驟，外徑鍍層達(dá)到尺寸后上外控，內(nèi)徑鍍層達(dá)到尺寸后上內(nèi)控 反復(fù)上砂18-24次完成上砂過(guò)程，解緩（拆卸掉內(nèi)、外控，自動(dòng)反向40—60 min）。

2.6 出槽

出槽時(shí)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(guò)程有關(guān)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(xué)除油除了具有化學(xué)除油的皂化與乳化作用外，還具有電化學(xué)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(duì)零件表面的潤(rùn)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(xué)除油時(shí)，不論是工件作為陽(yáng)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?yàn)樾馀莺苋菀孜皆谟湍け砻妫S著氣泡的增多和長(zhǎng)大，這些氣泡將油膜撕裂成小油滴并帶到液面上，同時(shí)對(duì)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(diǎn)是在工件上析出氫氣，即2H2O+2e→H2↑十20H一，除油時(shí)析氫量多，分散性好，氣泡尺寸小，乳化作用強(qiáng)烈，除油效果好，速度快，不腐蝕零件。

3.2 電鍍過(guò)程相關(guān)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(guò)程是在常溫下進(jìn)行，在酸性條件下進(jìn)行電鍍，電鍍時(shí)間需要11-13天。

電鍍后的鉆頭放入烘箱進(jìn)行去氫處理。之所以進(jìn)行去氫，是因?yàn)樵诔瓦^(guò)程和電鍍過(guò)程中，往往伴隨有氫離子還原析氫的副反應(yīng)。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(diǎn)陣中去，造成晶格歪扭，鉆頭內(nèi)應(yīng)力增加，鍍層和基體變脆，人們稱之為氫脆[1]。氫脆對(duì)材料的力學(xué)性能危害很大，如不除去，會(huì)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(qiáng)度以及粒度組成等。

4.1 晶形：金剛石顆粒形狀應(yīng)當(dāng)盡量規(guī)則，等積形結(jié)構(gòu)。

4.2 強(qiáng)度：因?yàn)殡婂冦@頭主要用于地質(zhì)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(jí)別的中高強(qiáng)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(xì)的粒度，以適應(yīng)鉆探的高時(shí)效或耐磨性要求。

4.4 磁性雜質(zhì)：由于人造金剛石的生成機(jī)理，難免會(huì)在其內(nèi)部生成含鐵等金屬的一些雜質(zhì)，磁性雜質(zhì)越多，電鍍鉆頭的結(jié)瘤現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重，嚴(yán)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(jìn)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(jìn)尺深度與熱壓孕鑲鉆頭的相當(dāng)并略有提高。

六、結(jié)論

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

2、通過(guò)快速持久電鍍鉆頭的研制可知，主要從外形設(shè)計(jì)提高鉆頭進(jìn)尺速率，加入稀土元素提高鉆頭壽命。通過(guò)實(shí)踐，此工藝能得以應(yīng)用，說(shuō)明電鍍液配方合理，并且鍍液成分相對(duì)簡(jiǎn)單，性能較穩(wěn)定，工藝可行，容易掌握，操作方便。

3、實(shí)踐證明，快速持久電鍍鉆頭具有時(shí)效高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)與普通電鍍鉆頭與熱壓孕鑲鉆頭的實(shí)地鉆探試驗(yàn)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(dāng)。這樣就更有利于鉆探成本的降低和速率的提高。endprint