摘要：电镀人造金刚石钻头是电镀金刚石工具中的一种,适用于钻进中硬至坚硬岩层、钢筋混凝土、建筑材料、耐火材料、陶瓷及其它硬脆非金属材料,现已被广泛应用于地质勘探、工程勘察、建筑材料加工、宝玉石加工、医疗保健、塑料模具制造等领域。该项制造技术起源于20世纪70年代初期,经过三十多年的发展,其制造水平有了很大的提高,但还存在许多问题,如金刚石钻头生产周期长、保径效果欠佳、适应范围窄等。特别是近年来,随着我国地质工作的大力推进与拓展,电镀金刚石钻头制造业的发展面临着巨大的机遇和挑战。因此,实现快速生产电镀金刚石钻头,并提高钻头的综合性能,以满足不断扩大的市场需求,是一件迫切而有意义的事情。 基于电镀金刚石钻头现今的具体实况与存在问题,本论文借鉴超声波在电镀中的应用,开展了超声波在电镀镍基金刚石钻头中的应用研究。即在前人研究电镀金刚石钻头的基础上,将超声波引入电镀金刚石钻头制造过程中,解决当前电镀金刚石钻头中存在的问题,实现电镀金刚石钻头的快速、优质生产。按照论文的主旨,采用电化学测试技术、材料结构测试技术、材料机械性能测试技术,开展了超声波对镍电沉积机理、镀液性能、镀层微观结构、镀层机械性能等方面的影响研究。在超声波作用机理研究及超声波对镀液、镀层性能的影响研究的基础上,开展了超声波电镀金刚石钻头制造工艺的研究,最后进行超声波电镀钻头的室内外钻进试验。

超声波对镍电沉积机理的影响研究,主要包括以下5个方面:(1)利用塔菲尔曲线,研究超声波对镍电沉积动力学过程的影响;(2)根据线性扫描曲线,分析超声波对镍电沉积阴极极化的影响;(3)利用电化学循环伏安技术,区分镍电沉积时阴极极化的类型;(4)采用单电位阶跃计时电流法,研究超声波对镍电结晶过程的影响;(5)利用线性扫描技术,研究超声波对镍电沉积过程中阴极析氢反应的影响。 Tafel曲线试验结果显示,超声波的施加使镍电沉积的平衡电位向正移了约70mV。线性扫描伏安曲线表明,在镍电沉积时,施加超声波能显著降低阴极浓差极化,但对电化学极化无明显影响。镀液的循环伏安曲线表明:在电位正于-1.0V(vs.S.C.E)时,超声波的施加没有改变镍电结晶时的极化类型,即本体沉积时阴极过程由电荷传递步骤控制,异相沉积时由成核步骤控制;当电位由-1.0V(vs.S.C.E)继续负移时,静止状态下镍电沉积开始出现明显的浓差极化,而施加超声波后,阴极仍为电化学极化控制。单电位阶跃试验结果显示:在有、无超声波作用下,镍电结晶均按三维半球形成核模式进行,但超声波的施加有助于提高晶核在垂直于基体方向上的生长速率和镍离子扩散系数;阴极电位E对镍电沉积成核模式有明显的影响,随着电位负移,镍电结晶由连续成核转变为瞬时成核。对镀液底液中析氢反应的研究表明,超声波的施加能抑制阴极区pH值的升高,降低镀层渗氢和夹杂。 根据电镀金刚石钻头对镀液性能的要求,本文从以下5个方面来研究超声波对镀液性能的影响:(1)采用线性扫描法大致测量极限扩散电流密度;(2)利用循环伏安曲线并结合扫描后的镀层外观分析,综合估计许用电流密度上限;(3)采用远近阴极法测定镀液的分散能力;(4)采用单阳极内孔法测定镀液的深镀能力;(5)采用铜库仑法来测量阴极电流效率。线性扫描试验结果表明,施加超声波后,极限扩散电流密度提高了3.5倍,超声波的施加能显著地降低镍电沉积时的浓差极化,提高扩散系数,减小扩散层厚度。循环伏安曲线试验表明,静止状态下,所研究的电镀液体系的许用电流密度上限i_m=11A/dm~2,施加超声波后,许用电流密度上限i_m=34A/dm~2。超声波的施加使许用电流密度上限提高了2.1倍。镀液分散能力试验结果表明,超声波作用下镀液分散能力得到了改善,如1.5W/cm~2超声波作用下,分散能力提高了19.1%。深镀能力试验结果表明,超声波的施加能显著改善镀液深镀能力,如静止状态下镀液深镀能力为28.3%,1.5W/cm~2超声波作用下深镀能力为63.7%。阴极电流效率试验结果表明:当电流密度为2A/dm~2时,施加超声波后电流效率略有降低;当电流密度为4A/dm~2时,静止状态下阴极电流效率降低至87.2%,而施加超声波后仍能保持较高的电流效率93.5%。 金属镀层的微观结构在很大程度上决定镀层的宏观物理性质和机械性能。本文选取镍镀层的结晶取向、晶粒尺寸和表面形貌来表征镀层的微观结构。其中镀层的结晶取向和晶粒尺寸采用X射线衍射法测定,镀层的表面形貌通过扫描电子显微镜来观察。镀层的X射线衍射测试结果显示:当电流密度为2A/dm~2,镍镀层沿(200)面呈现高择优取向,超声波的施加对镍镀层的择优取向没有明显影响;当电流密度升高到8A/dm~2,静止状态下镍镀层由(200)面择优取向转变为(220)面择优取向,而施加超声波后,镀层趋于无择优取向。当电流密度从2A/dm~2提高到8A/dm~2时,镀层晶粒尺寸有所减小,但超声波的施加对镀层晶粒尺寸均无明显影响。镀层SEM图谱显示,当电流密度为2A/dm~2时,有、无超声波作用下的镍镀层表面结构均为垂直于基体表面的棱锥形晶体,超声波的施加没有改变镍镀层的结晶形状。当电流密度为8A/dm~2时,静止状态下,镍镀层的表面结构为麻绳状粗晶,与2A/dm~2电流密度下所得镀层相比,镀层表面结晶明显粗化;施加超声波后,镍镀层微观结构发生了显著的变化,镀层表面结构为半球状微晶,颗粒细小,结构致密。该试验结果表明,在较高电流密度下,超声波的施加能显著降低电沉积过程中晶粒的团聚,细化镀层。

基于实际钻探中对金刚石钻头胎体的要求,本文从以下5个方面来研究超声波对镍镀层机械性能的影响:(1)采用显微压入硬度法测定镀层的硬度;(2)采用磨耗试验来评定镀层的耐磨性;(3)采用弯曲阴极法测试镀层的内应力;(4)采用浸渍法测量镀层的孔隙率;(5)根据镀层和金刚石之间的界面形貌来定性分析镀层对金刚石的包镶强度。镀层硬度和耐磨性测试结果表明,超声波的施加能显著提高镍镀层的硬度和耐磨性。如当采用6A/dm~2的电流密度时,静止状态下镍镀层硬度为HV305,施加1.2W/cm~2超声波后硬度提高到HV469,超声波的施加使纯镍镀层硬度提高了约50%。超声波作用下,纯镍镀层硬度与生产中常用的Ni-Co胎体的硬度相当,满足电镀金刚石钻头对胎体硬度的要求。镀层内应力与孔隙率试验结果表明,超声波的施加能显著降低镀层内应力和孔隙率。含金刚石镀层的SEM图谱显示,在镍镀层和金刚石的交界处总存在一定宽度的下陷型缝隙,施加超声波后,缝隙有所变窄;并且,施加超声波后,金刚石周缘镀层有隆起现象。超声波的施加改善了镀层与金刚石之间的结合情况。 综合分析上述研究结果,拟定超声波电镀工艺为:施加超声波时,采用电流密度为6A/dm~2,超声波声强为0.9W/cm~2。经研究,确定复合镀工艺为:加金刚石后,先在静止状态下进行预复合镀,待金刚石已经被包镶至1/5粒径处,施加超声波,采用6A/dm~2电流密度,开始快速复合镀。基于上述复合镀工艺,结合电镀金刚石钻头实际制造过程,制定超声波电镀金刚石钻头工艺。研究表明,超声波电镀工艺制造金刚石钻头,一天可以加4层以上金刚石,相比于比常规电镀工艺,钻头生产周期缩短一半以上。为了验证超声波电镀金刚石钻头制造工艺,进行了钻头制造及其室内外钻进试验。野外钻进试验表明,超声波电镀工艺制造金刚石钻头,使钻头钻进时效提高了33%,钻头寿命提高幅值更是高达54.6%。综上所述,研究的超声波电镀工艺,具有可缩短电镀金刚石钻头生产周期一半以上、显著提高钻头时效与寿命等作用,极具应用价值。 总的来说,本文通过大量试验和理论分析,探讨了超声波对镍电沉积过程中的作用机理,确定了超声波电镀金刚石钻头的制造工艺,成功地将超声波引入电镀金刚石钻头制造过程中,实现了采用超声波电镀法快速、优质生产金刚石钻头,达到了预期目标