快速持久电镀金刚石钻头的研制

陈学民

摘要：电镀金刚石钻头是利用复合电镀的原理，在低温下进行，不损伤金刚石。钻头具有时效快、寿命长等优点。本文介绍了快速持久电镀金刚石钻头生产工艺，研究了镀液的配制及各成分的作用，设计了相关工装模具，选择确定适合的金刚石参数，与热压孕镶钻头和普通电镀钻头进行了试验比较，讨论了有关常见电镀钻头的不良现象及解决方法。

关键词：快速；持久；电镀；金刚石；钻头

一、前言

电镀人造金刚石地质钻头是一种超硬材料电镀制品。超硬材料电镀制品是以金属为结合剂，以超硬材料即金刚石或立方氮化硼为磨料，通过电结晶作用，把超硬材料固结在金属镀层上的一种超硬材料工具[1]。由于制造这种制品具有设备简单、操作方便、产品质量稳定、投资少、经济效益高等优点，所以发展很快。目前，这类产品已经在生活、医疗、机械工业、航天工业、半导体工业以及冶金、工程和地质勘探等领域发挥着越来越大的作用。

二、原理

在镀覆溶液中加入非水溶性的固体微粒，使其与主体金属共同沉积形成镀层的工艺称之为复合镀。采用电镀的工艺称之为复合电镀；若采用化学镀的工艺则称之为复合化学镀。原则上，凡可镀覆的金属均可作为主体金属，但研究和应用较多的是镍、铬、钴、金、银、铜等几种金属。作为固体微粒主要有两类，一类是提高镀层耐磨性的高硬度、高熔点的微粒；一类是提高镀层自润滑特性的固体润滑剂微粒。以超硬材料作为分散微粒，与金属形成的复合镀层，称为超硬材料复合镀层[1]。本文介绍的电镀金刚石钻头就是以人造金刚石作为固体微粒，以镍、钴金属作为主体金属，以提高镀层的硬度和耐磨性为目的的一种复合电镀方法制得的。通过电镀的原理，不断在钻头唇面上结晶沉积上一层又一层金刚石与镍、钴合金的镀层，直到镀覆达到要求为止。

考虑到钻头的快速钻进速率，在钢体外形设计上，钻头的各齿设计成斜齿状。同时，为了延长电镀钻头的寿命，镀液中加入了适量的稀土元素铈。

三、工艺设计

考虑到电镀钻头基本上是采用埋砂法而镀履上金刚石，故设计砂托以易于操作。同时，由于需要多层金刚石不断地沉积，故设计内控与外控以控制钻头的内径和外径，并使镀层牢固。

2、电镀钻头生产工艺

2.1 镀前处理

（1）钢体处理：钢体打字→汽油清洗两遍→ 去污粉刷洗→去氧化皮。

（2）金刚石处理：王水浸泡24h→自来水洗净→氢氟酸浸泡24h→自来水洗净→ 蒸馏水洗净。

2.2 电化学除油

用水砂纸打磨→清水冲洗→ 40%盐酸浸泡5-8min→清水洗净→碱液电解除油3-5 min→清水洗净→20%盐酸浸泡5-8 min→清水

洗净→5%稀硫酸浸泡5-8 min。

2.3 入槽

带电入槽→ 冲击30s（自动反向40—60 min）→ 镀镍3-4h。

2.4 包扎

填充后出槽→上内芯和砂托→包扎→上水口塞→离子水洗净

带电入槽→冲击30s（自动反向1h）→镀镍3-4h。

2.5 上砂（填充金刚石）

调节好电流，上砂（自动反向5-10 min） 上砂20—40 min 倒砂（自动反向15—20 min） 继续镀镍10-12h 重复上述上砂步骤，外径镀层达到尺寸后上外控，内徑镀层达到尺寸后上内控 反复上砂18-24次完成上砂过程，解缓（拆卸掉内、外控，自动反向40—60 min）。

2.6 出槽

出槽时拆卸掉钻头的所有包装物，并用清水冲洗镀件及模具，然后离子水洗净收好。

2.7 去氢

镀好的钻头用清水冼净→沸水浸泡3-5min→放入烘箱，去氢处理。

2.8 表面处理

用水砂纸打磨→清水冲洗→20%盐酸浸泡5-8min→清水洗净 在光亮镀镍溶液中电镀30-50min。

3、电镀过程有关参数

3.1 电解除油的碱液配比

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

电化学除油除了具有化学除油的皂化与乳化作用外，还具有电化学作用。在电解条件下，电极的极化作用降低了油与溶液的界面张力，溶液对零件表面的润湿性增加，使油膜与金属间的黏附力降低，使油污易于剥离并分散到溶液中乳化而除去。在电化学除油时，不论是工件作为阳极还是阴极，金属与溶液界面所释放的氧气或氢气在溶液中起乳化作用。因为小气泡很容易吸附在油膜表面，随着气泡的增多和长大，这些气泡将油膜撕裂成小油滴并带到液面上，同时对溶液起到搅拌作用，加速了零件表面油污的脱除速度。

本文使用的方法是阴极除油。其特点是在工件上析出氢气，即2H2O+2e→H2↑十20H一，除油时析氢量多，分散性好，气泡尺寸小，乳化作用强烈，除油效果好，速度快，不腐蚀零件。

3.2 电镀过程相关参数

温度T：室温（25℃左右） PH值：3.5-4.5

电流密度Dk：0.7-1.2A/dm2 槽电压U：10-14V

去氢处理温度T：200-230℃，保温2h

此电镀过程是在常温下进行，在酸性条件下进行电镀，电镀时间需要11-13天。

电镀后的钻头放入烘箱进行去氢处理。之所以进行去氢，是因为在除油过程和电镀过程中，往往伴随有氢离子还原析氢的副反应。氢还原一部分变成气体逸出，还有一部分以氢的原子形态渗入到镀层和基体金属晶格的点阵中去，造成晶格歪扭，钻头内应力增加，镀层和基体变脆，人们称之为氢脆[1]。氢脆对材料的力学性能危害很大，如不除去，会影响到电镀钻头的寿命。

4、金刚石参数的确定

由于电镀的一些特殊需要，在金刚石的选择上有一些特别的要求，比如：金刚石的晶形、强度以及粒度组成等。

4.1 晶形：金刚石颗粒形状应当尽量规则，等积形结构。

4.2 强度：因为电镀钻头主要用于地质勘探方面，要求金刚石有好的抗冲击性和高耐磨性，因而需选用MBD8及以上级别的中高强度金刚石。

4.3 粒度组成：根据钻探的要求不同，主要选用45/50为主要粒度，并配以其它一些更粗或更细的粒度，以适应钻探的高时效或耐磨性要求。

4.4 磁性杂质：由于人造金刚石的生成机理，难免会在其内部生成含铁等金属的一些杂质，磁性杂质越多，电镀钻头的结瘤现象就会越严重，严重影响镀层的包镶致密性和整平性。因而，电镀钻头最好选择使用不含磁或含磁性低的金刚石。斜齿电镀钻头的平均钻进速率比普通电镀钻头与热压钻头的速率更高，而其寿命，即进尺深度与热压孕镶钻头的相当并略有提高。

六、结论

1、电镀钻头制作的最大特点是低温，电镀过程是在室温下完成，即使是去氢的温度也不超过230℃，这样的温度对于保证金刚石强度十分有利，不必考虑热压孕镶钻头制作过程中对金刚石的热损害。

2、通过快速持久电镀钻头的研制可知，主要从外形设计提高钻头进尺速率，加入稀土元素提高钻头寿命。通过实践，此工艺能得以应用，说明电镀液配方合理，并且镀液成分相对简单，性能较稳定，工艺可行，容易掌握，操作方便。

3、实践证明，快速持久电镀钻头具有时效高、寿命长等优点。经过与普通电镀钻头与热压孕镶钻头的实地钻探试验比较，此种电镀钻头的速度比普通电镀钻头与热压钻头的速度更快，而寿命与热压钻头的相当。这样就更有利于钻探成本的降低和速率的提高。endprint