提高電鍍金剛石鉆頭質量的試驗研究

陳 洋，高玉彬

(湖南省地質礦產勘查開發局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勢，例如對巖層的適應性較好，鉆進速度較高等；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，但鉆頭的內外徑磨損較快，使得電鍍金剛石鉆頭失去繼續使用的價值，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，但鉆頭的內外徑極不規范，嚴重超標，不少鉆頭難以下孔鉆進，只得中途提鉆換鉆頭，給鉆探生產帶來不便[1-2]。

因此，必須對電鍍金剛石鉆頭的制造工藝技術進行改進，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，達到提高鉆頭的使用壽命和適應性的目的。

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生一系列的電化學反應，陽極上產生氧化反應，溶解陽極金屬，補充鍍液中消耗的金屬離子，并析出氧氣；而陰極上產生還原反應，沉積金屬原子而形成鍍層，同時析出氫氣。

氫氣泡細小，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，占據鉆頭胎體的表面和一定體積，隨著電沉積的連續進行，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構不致密，電鍍層的硬度與耐磨性等力學性能下降[1-5]，見圖1所示。

圖1 普通方法電鍍的金剛石鉆頭

由于電鍍工藝參數等條件的影響，電鍍過程中的電流效率達不到100%，即使通過電鍍工藝參數的優化，電流效率也只能達到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瘤的原因。

1.2 金剛石與鍍液中雜質的影響

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，鍍層厚度可達8～12mm，或更厚一些。這么厚的鍍層內包含有15～18層的金剛石顆粒；且包鑲是呈無序排列分布的，這樣累積的結果便使得電鍍層表面很不平整，鍍層表面逐步出現凸起和凹陷；隨著電鍍進行，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，這樣就出現了非良性循環，造成鍍層的不平整度越來越突出[6-9]。

鍍液中的其它雜質，例如金屬鐵離子等以及有機雜質，對鍍層內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，一直發展到出現節瘤，節瘤的發展會形成更明顯的孔隙；這樣的鍍層力學性能較差，包鑲金剛石的強度下降，造成金剛石鉆頭的質量下降；當這種鍍層發生在鉆頭的內外徑部位，其保徑效果必然很差；發生在工作層內部，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，造成鉆頭內外徑鍍層內針孔增多，內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 提高電鍍鉆頭質量的措施

由上述分析可知，提高電鍍金剛石鉆頭質量和應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的針孔和節瘤。

常常采用的技術措施：二次入槽、二次成型技術，陰極移動技術以及采用化學試劑處理等方法[1，4]，這些方法均能夠實現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有突起點，移動時給移動車產生一定的振動力。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，預防鍍層出現針孔。同時，還能夠對鍍液進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。雖然移動輔助設備簡單，易制作，成本低，但幾乎沒有鉆頭廠家能夠認識該技術的優勢，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，消除鍍層中的針孔，提高電鍍金剛石鉆頭的質量。

采用陰極移動方法是利用直流電機驅動偏心輪，帶動移動車來回運動；結構簡單、可靠，多槽時各槽之間采用聯動方式；單槽移動裝置結構原理見圖2所示。移動裝置的原理很簡單，利用直流電機帶動偏心輪回轉，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，將氫氣泡驅趕，達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 鉆頭移動車結構原理圖

2.1.2 移動參數設計

陰極移動車的結構參數應該視鍍槽的大小而確定?，F多數鉆頭廠采用單槽布局的模式，電鍍液槽的規格為：長45～50cm、寬30～35cm、深35～40cm；移動參數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，應依據鉆頭的規格和一槽內電鍍鉆頭的數量而定。試驗設計中移動參數為：移動頻率和移動距離；檢測質量的目標為電鍍金剛石鉆頭胎體中的孔隙度。

移動頻率的考慮依據是驅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；當電流密度達到3.5A/dm2時，不會出現鍍焦或不良鍍層；鍍槽內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，存在優化配合值。設計移動距離時，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。

當移動距離5cm固定后，鉆頭移動后產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，鍍液與鉆頭產生相對運動，鍍液對鉆頭產生沖刷作用，將氫氣泡趕跑，最終使得鍍層表面不滯留氫氣泡，不產生針孔，增加鍍層的致密性和耐磨性。依據初步試驗資料，設計鉆頭移動速度在25～45次/min范圍內試驗比較合理，以鍍層表面出現的針孔數作為衡量移動速度的合理值。試驗安排和試驗結果見表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，數出每個方格內含有顏色的斑點數，分別計算鍍層金屬的孔隙率，檢測出的斑點數即鍍層的孔隙率，記入表1中，計算公式如下：

η=n/S

式中:n——孔隙斑點數，個數;

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，在現有的鍍槽規格和鉆頭數量的條件下，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，鍍液就出現小幅波動，孔隙率很低；移動頻率45次/min時出現較明顯的鍍液波動，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，首先進行試塊試驗，在此基礎上再進行鉆頭試驗。

試塊試驗的試件規格為(10×10×15)mm，采用相同鍍液與電鍍參數制成；進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，測試前對試樣進行打磨平整，去除鍍層上的節瘤。測試條件為：設備為MPx-2000型摩擦磨損試驗機；試驗參數：壓力5.5MPa，轉速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，試驗了75mm普通單管鉆頭，金剛石參數為：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，經檢測，鍍層致密，平整而美觀；電鍍鉆頭胎體的力學性能有明顯提高，其質量明顯優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。通過在湖南萍鄉某礦區試驗，主要巖石為可鉆性8級的石英角閃巖，與在該礦區使用的本公司普通電鍍金剛石鉆頭相比，鉆頭的鉆速穩定，鉆頭的使用壽命提高了21.2%，鉆進時效基本接近，效果是明顯的。對比結果見表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，以確保鉆頭的規格和精度要求。由于套上塑料模具，造成鉆頭內外徑部位會聚集大量的氣泡，極不容易去除，其結果必然會在內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。

二次成型技術是預先電鍍出金剛石鉆頭的工作層，然后再電鍍鉆頭的內外保徑層；在電鍍鉆頭內外保徑層時，無需套上塑料模具，實現開放式電鍍，鉆頭的內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試劑，創造了氣泡不易滯留的環境與條件，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、二次成型電鍍技術是將鉆頭工作層電鍍和鉆頭內外徑電鍍分開進行，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。

當鉆頭第一次入槽后，先預鍍底層，加一層金剛石，當金剛石被完全包鑲之后，套上特制的鉆頭內外徑模具，防止內外徑繼續電鍍；特制的內外徑模具有利于實現跟模加金剛石。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。

接著對鉆頭進行第二次入槽電鍍，對鉆頭內外徑進行加金剛石復合電鍍，其工序如下：

對第一次出槽的鉆頭進行卸模、清洗，置于蒸餾水中；接著進行陽極活化，熱水、冷水清洗；之后在活化浸蝕液中再次進行活化浸蝕，時間4min；活化浸蝕后立即進入沖擊電鍍工序，電流密度3～5A/dm2，時間4～6min，并攪拌鍍液；沖擊電鍍后轉入正常電鍍金剛石鉆頭的鍍液中，進行正常電鍍程序。當達到鉆頭內外徑規格要求后，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制定這兩個關鍵問題；經過多次研究與試驗，總結整理出如下二次入槽處理液成分與工藝參數：

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，經過二次入槽處理工藝后，接著轉入正常電鍍槽內進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 試驗結果分析

本次試驗只是一次嘗試，僅僅試驗電鍍鉆頭的內外徑致密程度，由于不便作試塊試驗，故沒有檢測其密度、硬度等力學性能，只能檢測鉆頭的外部形貌，并進行野外鉆進試驗。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，看不到有明顯節瘤，鉆頭的內外徑平整、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，鉆頭的內外徑與工作層能夠基本實現同步磨損，也就是當電鍍鉆頭的內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果。試制的2只鉆頭，在新疆某礦區鉆進，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。相比之下鉆進時效接近，鉆頭使用壽命優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，產生的經濟技術效益是明顯的，值得推廣應用。

3 結論

上述試驗結果可得出如下幾點結論：

(1)普通電鍍金剛石鉆頭的主要不足之處在于針孔和節瘤的影響，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瘤，提高了鉆頭的耐磨性能，鉆頭的適應性得到很大提升，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用；本論文的研究還處于不斷完善之中，取得的研究結果是有意義的，為電鍍金剛石鉆頭廠商提供了可供借鑒的技術支持。