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提高电镀金刚石钻头质量的试验研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-20  浏览次数:856

提高电镀金刚石钻头质量的试验研究

尹玉波1杨凯华2

(1.中国地质大学机电工程学院,武汉430074)(2.中国地质大学工程学院,武汉430074)

电镀金刚石钻头目前多采用镍基合金胎体,在钻进硬而完整的岩石中能取得好的效果,但在钻进较破碎的和强研磨性岩石时,钻头的耐磨性不理想,主要表现为钻头的保径能力较差,导致钻头的使用寿命缩短,这是电镀金刚石钻头需要解决而长期尚未解决好的问题。本论文针对电镀金刚石钻头的这个薄弱环节进行了试验与研究,采用二次成型工艺和阴极移动方法,明显地提高了钻头的保径效果。采用二次成形方法的电镀钻头平均寿命提高22%;而采用阴极移动方法的电镀钻头的硬度平均提高8%,耐磨性提高26%。基本上实现了钻头的同步磨损,明显地提高了钻头的使用寿命。

关键词:保径效果;二次成型;阴极移动;同步磨损

中图分类号:TQ164;TG74文献标识码:A

DOI编码:10.3969/.jissn.1006-852X.2010.03.009

文章编号:1006-852X(2010)03-0041-03

0问题的提出

电镀金刚石钻头的胎体是镍基合金,它具有比较理想的硬度与耐磨性,因而电镀钻头对多数岩层具有好的适应性,得到了广泛的应用。特别在工程勘察中,由于钻进时效较高而被广泛采用。但是,电镀金刚石钻头由于在成型过程中,受到析氢的影响,镀层中不可避免地出现针孔和渗氢现象,特别是在戴上模具后钻头工作层的内外径部位更加突出,镀层的孔隙率增加,镀层由于渗氢而变脆,其耐磨性明显下降,保径能力较差,导致电镀钻头的内外径先行磨损而使得钻头提前失效,最终影响整个钻头的使用寿命。从上述的分析可知,要提高电镀钻头的保径效果必须减少镀层的孔隙率,减少氢脆对镀层耐磨性的不良影响。经过试验研究,采用二次成型工艺和阴极移动是电镀金刚石钻头提高保径效果的有效方法,从而能够提高钻头的使用寿命。

1二次成型工艺试验

二次成型工艺就是指电镀钻头的工作层成型与保径层成型分两次完成,改变了过去电镀钻头的保径层厚度满足要求后,戴上模具,继续电镀工作层,直到钻头的设计要求。二次成型工艺则是钻头入槽电镀后戴上模具直接电镀工作层,当工作层的高度达到设计要求后出槽,卸去模具,经二次镀前处理入槽电镀。二次入槽电镀只电镀内外径,钻头不戴模具,内外径处于开放状态,电镀中所析出的氢不容易在内外径表面滞留,有效地保证了钻头的内外径镀层内极少渗氢,因而钻头的保径效果得到提高。

1.1模具与工艺设计

电镀钻头的模具设计不同于一次成型电镀钻头的模具设计。二次成型的模具的壁厚可以减薄,一般为4~5mm即可;其高度必须比钻头的工作层高度高出3mm;模具的光洁度尽可能高;内模的外径比刚体的内径应小0.10mm,而外模的内径应比刚体的外径大0.10mm。模具的这些设计参数将有利于钻头成型和电镀后容易脱模。

钻头的绝缘方法也有别于普通的绝缘方法,见图1所示。绝缘中除了采用常规的塑料胶带绝缘外,设计了内、外底模,增强了绝缘效果,减少二次入槽前的准备工作。

 

 

 

电镀钻头工艺参数中,首先要注重镀前的处理工艺,这是保证电镀金刚石钻头镀层与刚体结合牢固、不起皮、不掉块的重要工序。钻头经电化学除油、阳极活化后入槽电镀,电镀1h后戴上模具,对钻头的底唇面加金刚石复合镀。入槽后加模具前的电镀时间不要少于1h,这是为了保证镀层与刚体有很强的结合力,也为了后续的二次成型创造有利的条件。

1.2二次入槽处理

镀镍基合金在二次入槽前,一定要经过严格的预处理与预镀工艺,才能保证新的镍合金镀层与底层镍合金的牢固结合。一般情况下,镍镀层出槽后经过一段时间需要继续电镀时,不能采取普通的阳极活化方法,而应该采用特殊的活化方法,方能保证镀层不脱落、不起皮。预镀工艺包括预镀镀液成分与阳极活化工艺两方面,下面主要介绍预处理与预镀方法。

首先,对于需要二次入槽电镀的钻头进行镀前电化学除油处理;清洗干净之后在硫酸溶液中进行阳极活化处理,时间一般取3~5min,电流密度取30A/dm2;清洗干净后进入电镀槽内进行弱浸蚀和预镀处理,溶液成分为氨基磺酸100g/L,在25~30℃条件下,采用10A/dm2电流密度,经阳极活化3min之后,再转入普通电镀槽内进行电镀。

转入普通电镀槽后,依然应该先进行冲击电镀,时间为3min,电流密度取3.0A/dm2,以确保镀层的结合强度。然后采用正常的电流密度电镀30min,就可以加金刚石,进入正常的电镀金刚石钻头的程序。

1.3试验结果与分析

本研究成果在福建福州华力金刚石钻头公司得到了推广应用。该公司目前有镀槽40个,采用镍-钴与镍-锰两种镀液配方,一次可以电镀75mm规格钻头200个,全部推广了二次成形电镀工艺,取得了明显的效果。在福州外环公路某勘察工地做了钻进试验对比,钻进地层为砂卵石层加风化花岗岩层;试验8个75mm钻头,其中普通钻头3个,二次成型钻头5个,两种钻头交替使用;采用YL-6型钻机,钻进参数为:钻压0.9~1.0kN,钻头转数374r/min,泵量40L/min,试验结果如表1所示。

 

 

 

由表1的资料可知,二次成形钻头平均钻进32.35m,普通钻头平均钻进26.49m,平均提高22%;两种钻头的钻进速度基本相当,由此可知二次成形方法电镀的钻头具有明显的优势。

分析其原因,主要是采用二次成形方法后,钻头的内、外径镀层中由于析氢造成的孔隙率大大减少,镀层致密性得到提高,耐磨性随之提高,保径层与工作层基本实现了同步磨损。这说明了提高电镀钻头的保径效果,是提高电镀钻头质量和使用寿命的最有效的途径之一。

2阴极移动电镀方法试验

2.1阴极移动设计研究

虽然采用二次成型电镀金刚石钻头工艺,可以大大降低镀层表面氢气泡滞留和渗氢现象,从而减少镀层孔隙率,提高镀层的耐磨性能。但是,二次成形增加了一道电镀工序,其电镀效果仍然有待进一步提高,以期达到更好的效果。因此,本论文在试验研究中,还进行了钻头阴极移动的试验。

电镀金刚石钻头的移动装置的动力选用无级调速直流电机,由直流电机的转动变为支架的移动,系采用偏心轮实现,通过调节偏心距可以调整移动的距离。支撑钻头的支架和滑道均采用塑料材料制成。滑道设计为非平滑的轨道,以增加移动中的振动作用,加速氢气泡的逸出速度。以单槽为例,移动装置如图2所示。

 

 

 

试验研究中阴极移动电镀金刚石钻头的技术参数主要指移动的频率和移动距离。移动频率的考虑依据是去除氢气泡的能力和对镀液浓差极化的影响程度。采用单因素设计思路进行试验,由于镀槽的规格已经固定,因此,固定钻头的移动距离不变,只能改变移动频率进行研究,设计移动频率为5个试验水平:即10、15、20、25和30r/min。试验结构表明,只要钻头在移动就会有效果,移动频率30r/min使得镀液波动较大,不宜采用;移动频率达到25r/min时,镀槽的液面比较平静,被镀表面已经看不到有氢气泡存在,在该移动频率下,电流密度达到3.5A/dm2时,也能镀出质量符合要求的镀层,镀层平整、光亮,见图3所示。

 

 

 

2.2试验效果与分析

试验用的电镀液采用电镀金刚石钻头的镍-钴配方:硫酸镍280g/L,硫酸钴15g/L,氯化钠17g/L,硼酸38g/L[2]。电镀工艺:镀液温度34~35℃,自控调温;pH值4.1~4.8;电流密度3.0A/dm2。

2.2.1外部形貌

3a中为上述镀液配方与工艺条件下,在移动频率25r/min、电流密度3.0A/dm2镀出试件的外部形貌;图3b中为同样电镀条件下,无移动时的镀层表面形貌,以上均为电镀24h的效果。对比后可知,钻头移动对电镀钻头的质量将产生了明显的影响,镀层致密、平整而光亮。这无疑会直接影响镀层对金刚石的包镶强度,影响镀层的耐磨性能。

2.2.2试件的硬度与耐磨性

通过对图3的两个试件进行硬度与耐磨性测试,结果表明两者存在明显的差别。硬度测试可采用HV-1000型显微硬度计,结果见表2。耐磨性采用MPx-2000型摩擦磨损试验机,试件1的耐磨性为42mg,试件2的耐磨性为53mg。

 

 

 

2.2.3结果分析

由试验结果可知,试件1比试件2的硬度平均提高8%,而耐磨性提高26%。

阴极移动能够提高电镀质量的原因,主要在于(上接第43页)移动过程中能够有效地驱赶氢气泡,使得电镀过程中析出的氢气泡及时离开镀层表面,大大减少渗氢和氢脆的发生,镀层致密性和耐磨性得到提高,金刚石在致密的镀层中提高了包镶强度,钻头的质量随之得到提高。

由试验结果可知,采用阴极移动方法对于提高电镀速度和改善镀层的质量,能产生良好的影响。只要依据镀槽的规格,优化移动速度和移动距离,并配合电流密度与镀液温度等基本参数,就可以获得最佳的镀层质量,达到提高电镀金刚石钻头质量的目的。

3结论

通过二次成型电镀工艺和钻头移动方法的试验研究,可以得出以下的研究结果:

(1)二次成型工艺技术,能够有效地减少氢气泡在镀层表面滞留,减少渗氢的几率,提高镀层的致密性和包镶金刚石的强度,有利于提高钻头的保径效果。试验结果表明钻头的使用寿命较普通钻头提高了22%,这充分表明二次成型工艺可行,技术方法可靠。

(2)采用阴极移动的方法,可以大大减少镀层孔隙率,提高镀层的质量,钻头的硬度平均提高8%,而耐磨性提高26%。同时能够明显降低镀液的浓差极化,可以提高电镀速度,提高电镀金刚石钻头的生产效率。试验结果说明阴极移动方法的设计思路正确,试验方法与技术路线合理。

(3)采用阴极移动,必须保持镀液清洁无杂质,每批电镀钻头出槽后一定要仔细过滤镀液,进行化验分析调整好镀液,以保持镀液成分的稳定性。虽然推广应用较易实现,但成本略高。

(4)虽然采用阴极移动或二次成型方法可以收到好的效果,如果将这两种方法结合起来应用,将会获得更好的效果,不仅能够提高电镀钻头的质量,而且能够提高生产效率。

参考文献

[1]曾华樑,张培伟,倪百强等编.电镀技术问题对策[M].机械工业出版社,2006.10:41-42

[2]方小红,杨洋,潘秉锁,杨凯华.电镀弱包镶金刚石钻头研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2004

[3]陈天玉编著.镀镍合金[M].化学工业出版社,2007

作者简介:尹玉波,女,1974年生,中国地质大学机电学院,讲师,博士在读,主要研究方向之一是金属基复合材料应用研究。

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