陈 洋，高玉彬

(湖南省地质矿产勘查开发局409队湖南状元公司，湖南 永州 425000)

电镀金刚石钻头具有许多优势，例如对岩层的适应性较好，钻进速度较高等；但是电镀金刚石钻头也存在最大的弱点，即钻头的保径效果很不理想，导致电镀金刚石钻头的使用受到了一定的局限。例如，在深部绳索取芯钻探中，虽然钻头的工作层仍然具有工作能力，但钻头的内外径磨损较快，使得电镀金刚石钻头失去继续使用的价值，不得不提前退出使用，而提钻换新的钻头，这必然又延长施工期限，提高了钻探成本。同时，由于电镀中不可避免的针孔，钻头胎体的耐磨性较低。针对这些现状，钻头厂商都在研究解决的措施，例如长江电镀金刚石钻头公司，研究镶焊聚晶体保径，虽然保径效果有明显提升，但钻头的内外径极不规范，严重超标，不少钻头难以下孔钻进，只得中途提钻换钻头，给钻探生产带来不便[1-2]。

因此，必须对电镀金刚石钻头的制造工艺技术进行改进，以提高电镀金刚石钻头的保径效果，提高电镀金刚石钻头的耐磨性，达到提高钻头的使用寿命和适应性的目的。

1 钻头耐磨性较低和保径较差的原因分析

1.1 析氢的影响

从电镀原理可知，电镀液通以直流电以后，就会在阴极与阳极上发生一系列的电化学反应，阳极上产生氧化反应，溶解阳极金属，补充镀液中消耗的金属离子，并析出氧气；而阴极上产生还原反应，沉积金属原子而形成镀层，同时析出氢气。

氢气泡细小，氢气泡析出后，其中一部分不会自行脱离阴极(即被镀钻头体)表面，而是牢牢地附着在电镀层的表面，占据钻头胎体的表面和一定体积，随着电沉积的连续进行，被氢气泡覆盖的表面就会镀不上金属镀层，逐步形成空隙或针孔，造成电镀层表面不平整和电镀层的组织结构不致密，电镀层的硬度与耐磨性等力学性能下降[1-5]，见图1所示。

图1 普通方法电镀的金刚石钻头

由于电镀工艺参数等条件的影响，电镀过程中的电流效率达不到100%，即使通过电镀工艺参数的优化，电流效率也只能达到95%左右，总有一部分电流用于析出氢气，析出的氢气就是造成针孔和节瘤的原因。

1.2 金刚石与镀液中杂质的影响

电镀金刚石钻头不同于普通电镀合金，它是在电镀过程中将金刚石包镶在合金镀层内，镀层厚度可达8～12mm，或更厚一些。这么厚的镀层内包含有15～18层的金刚石颗粒；且包镶是呈无序排列分布的，这样累积的结果便使得电镀层表面很不平整，镀层表面逐步出现凸起和凹陷；随着电镀进行，这种不平整越来越明显，而凸起部分在卸去金刚石后裸露在镀液中，离阴极相对较近，更容易得到金属离子，沉积速度更快，这样就出现了非良性循环，造成镀层的不平整度越来越突出[6-9]。

镀液中的其它杂质，例如金属铁离子等以及有机杂质，对镀层内针孔形成与镀层的平整度的影响和金刚石的影响是不一样的，但结果基本相同，只不过没有金刚石影响得这么明显。

由此可知，析氢和金刚石颗粒对电镀层质量的影响是明显的。随着电镀金刚石一层一层加厚，不平整度越来越明显，一直发展到出现节瘤，节瘤的发展会形成更明显的孔隙；这样的镀层力学性能较差，包镶金刚石的强度下降，造成金刚石钻头的质量下降；当这种镀层发生在钻头的内外径部位，其保径效果必然很差；发生在工作层内部，钻头的使用寿命必然降低。

同时，电镀金刚石钻头使用的模具多为塑料模具，其硬度与耐磨性差，实践表明，使用几次后其表面粗糙度增加，吸附氢气泡的能力增强，造成钻头内外径镀层内针孔增多，内外径镀层的硬度与耐磨性明显下降，以至电镀金刚石钻头的保径效果非常不好。

2 提高电镀钻头质量的措施

由上述分析可知，提高电镀金刚石钻头质量和应用范围的一个重要途径是提高电镀金刚石钻头胎体层的致密度，提高钻头的保径效果，其基本思路是减少甚至消除电镀金刚石钻头镀层内的针孔和节瘤。

常常采用的技术措施：二次入槽、二次成型技术，阴极移动技术以及采用化学试剂处理等方法[1，4]，这些方法均能够实现电镀胎体镀层针孔率明显降低，甚至基本无针孔的效果。

2.1 采用阴极移动

2.1.1 阴极移动的原理

阴极移动就是利用一个移动装置，将需要电镀的金刚石钻头置于该移动车上，随着移动车按照一定频率来回移动，将电镀层上的气泡冲刷掉，加上移动装置的滑道上设有突起点，移动时给移动车产生一定的振动力。因此，采用移动方法能可靠而有效地去除氢气泡在镀层上的滞留，预防镀层出现针孔。同时，还能够对镀液进行一定程度的搅拌作用，促使镀液流动，有利于降低镀液的浓差极化，提高电流密度和电镀速度。虽然移动辅助设备简单，易制作，成本低，但几乎没有钻头厂家能够认识该技术的优势，从而采用阴极移动方法消除镀层针孔。本文的目的就是提倡采用阴极移动方法，提供阴极移动技术，消除镀层中的针孔，提高电镀金刚石钻头的质量。

采用阴极移动方法是利用直流电机驱动偏心轮，带动移动车来回运动；结构简单、可靠，多槽时各槽之间采用联动方式；单槽移动装置结构原理见图2所示。移动装置的原理很简单，利用直流电机带动偏心轮回转，偏心轮带动钻头支架来回移动，钻头在支架上随支架移动，镀液被搅动，流动的镀液冲击钻头的被镀部分，将氢气泡驱赶，达到氢气泡无法滞留在镀层表面的目的，这样就避免了针孔形成[13-14]。

图2 钻头移动车结构原理图

2.1.2 移动参数设计

阴极移动车的结构参数应该视镀槽的大小而确定。现多数钻头厂采用单槽布局的模式，电镀液槽的规格为：长45～50cm、宽30～35cm、深35～40cm；移动参数为移动频率和移动的距离；具体的移动频率和移动距离要求，应依据钻头的规格和一槽内电镀钻头的数量而定。试验设计中移动参数为：移动频率和移动距离；检测质量的目标为电镀金刚石钻头胎体中的孔隙度。

移动频率的考虑依据是驱除氢气泡的能力和对镀液浓差极化的影响程度。最佳的移动频率(移动速度)是镀层表面几乎没有氢气泡；当电流密度达到3.5A/dm2时，不会出现镀焦或不良镀层；镀槽内的镀液也不会激起有害的波动。

移动频率与移动距离有一定的交互影响，存在优化配合值。设计移动距离时，在移动频率一定的条件下，移动距离越大，对镀液的搅动就越大，驱除气泡的能力越强，镀液的浓差极化就会越小。同样，在移动距离一定时，移动频率越高，也会收到同样的效果[2,15]。

鉴于上述的分析和镀槽的基本规格，如果一槽电镀5个Φ75的金刚石钻头，保持钻头之间的合理间距，在左右移动方向上只有6～7cm的空间可供选择，移动装置上偏心轮的偏心距设计为5cm；也就是说，钻头在移动支架上向左可移动距离为5cm，向右也可移动5cm，左右各留1cm空间作为安全距离[2]。由于移动车在向一个方向移动后，会突然改变运动方向，对于去除气泡的效果会得到加强。

当移动距离5cm固定后，钻头移动后产生的去除氢气泡的效果就决定于移动速度或移动频率。因此，真正的设计变量只有钻头的移动速度了。移动的目的是利用钻头在镀液中移动时，镀液与钻头产生相对运动，镀液对钻头产生冲刷作用，将氢气泡赶跑，最终使得镀层表面不滞留氢气泡，不产生针孔，增加镀层的致密性和耐磨性。依据初步试验资料，设计钻头移动速度在25～45次/min范围内试验比较合理，以镀层表面出现的针孔数作为衡量移动速度的合理值。试验安排和试验结果见表1所列。

表1 钻头移动与普通方法的试验对比

2.1.3 镀层孔隙率

对阴极移动电镀试件 (电流密度为3.5A/dm2)进行了4次试验，获得4个试件；普通电镀一个试件，共5个试件；电镀时间4个小时。检测方法为：在5个镀面贴上浸有检验液(10g/L 铁氰化钾和 20g/L 氯化钠 )的滤纸，时间 10min；将画有方格的玻璃板(方格面积为1cm2) ，放在印有孔隙斑痕的滤纸上，数出每个方格内含有颜色的斑点数，分别计算镀层金属的孔隙率，检测出的斑点数即镀层的孔隙率，记入表1中，计算公式如下：

η=n/S

式中:n——孔隙斑点数，个数;

S——被测镀层面积，cm2。

2.1.4 阴极移动的钻头试验效果

试验表明，在现有的镀槽规格和钻头数量的条件下，移动频为在25次/min时，可以看到镀层上明显有氢气泡滞留，孔隙率为5；钻头移动频率30次/min时，出现轻微波动，孔隙率明显下降，孔隙率为3；钻头移动频率35次/min时，镀液就出现小幅波动，孔隙率很低；移动频率45次/min时出现较明显的镀液波动，虽然检测不到气泡，孔隙率为零，但镀液波动大不宜采用。因此，采用30次/min和35次/min的移动频率是比较合理的。

移动试验中，首先进行试块试验，在此基础上再进行钻头试验。

试块试验的试件规格为(10×10×15)mm，采用相同镀液与电镀参数制成；进行普通电镀与移动钻头两种方法试验对比；钻头移动频率30次/min，移动距离6cm，获得试验镀件；测试镀件的耐磨性，测试前对试样进行打磨平整，去除镀层上的节瘤。测试条件为：设备为MPx-2000型摩擦磨损试验机；试验参数：压力5.5MPa，转速1100r/min,时间为10min，以检测磨损前后的失重表示胎体的耐磨性能。各测试5个试件，普通电镀试块的失重平均为20.3mg，而采用移动装置的电镀试块的失重平均只有18.2mg，效果是明显的。

采用相同的试验参数，试验了75mm普通单管钻头，金刚石参数为：粒度40/45目占60%与50/60目占40%，上金刚石的时间为12min；一天上2次金刚石，电流密度1.2A/dm2，镀液温度30℃～32℃，上金刚石16层，镀层厚度约9mm；钻头移动为30次/min；电镀后金刚石钻头的外部形貌见图3所示，经检测，镀层致密，平整而美观；电镀钻头胎体的力学性能有明显提高，其质量明显优于普通电镀金刚石钻头(对比图1)，电镀钻头的外观也得到极大的改善。通过在湖南萍乡某矿区试验，主要岩石为可钻性8级的石英角闪岩，与在该矿区使用的本公司普通电镀金刚石钻头相比，钻头的钻速稳定，钻头的使用寿命提高了21.2%，钻进时效基本接近，效果是明显的。对比结果见表2所列。

表2 钻头移动与普通方法效果对比

图3 采用移动装置电镀金刚石钻头

2.2 二次成型钻头试验

2.2.1 二次成型的原理

普通电镀金刚石钻头时，必须全程套上塑料模具，以确保钻头的规格和精度要求。由于套上塑料模具，造成钻头内外径部位会聚集大量的气泡，极不容易去除，其结果必然会在内外径镀层中滞留大量的气泡，形成大量的针孔，直接影响电镀钻头的保径效果。

二次成型技术是预先电镀出金刚石钻头的工作层，然后再电镀钻头的内外保径层；在电镀钻头内外保径层时，无需套上塑料模具，实现开放式电镀，钻头的内外径全部裸露在镀液中，因此，气泡不容易滞留在电镀钻头的胎体表面，塑料模具的影响降到零。加上镀液中加入了十二烷基硫酸钠或双氧水等化学试剂，创造了气泡不易滞留的环境与条件，能够确保二次成型电镀金刚石钻头取得较好的效果。

2.2.2 二次成型试验

二次入槽、二次成型电镀技术是将钻头工作层电镀和钻头内外径电镀分开进行，以确保电镀金刚石钻头的良好保径效果，保证电镀钻头的良好性能和工作特性。

当钻头第一次入槽后，先预镀底层，加一层金刚石，当金刚石被完全包镶之后，套上特制的钻头内外径模具，防止内外径继续电镀；特制的内外径模具有利于实现跟模加金刚石。之后按照电镀金刚石钻头的程序，只电镀钻头的工作层，一直电镀到工作层高度满足后，钻头出槽，卸去特制的内外径模具，完成第一次入槽电镀金刚石钻头工作层的工作。

接着对钻头进行第二次入槽电镀，对钻头内外径进行加金刚石复合电镀，其工序如下：

对第一次出槽的钻头进行卸模、清洗，置于蒸馏水中；接着进行阳极活化，热水、冷水清洗；之后在活化浸蚀液中再次进行活化浸蚀，时间4min；活化浸蚀后立即进入冲击电镀工序，电流密度3～5A/dm2，时间4～6min，并搅拌镀液；冲击电镀后转入正常电镀金刚石钻头的镀液中，进行正常电镀程序。当达到钻头内外径规格要求后，即完成了二次入槽、二次成型电镀金刚石钻头的工作。

二次入槽、二次电镀工艺的关键是二次入槽的镀前处理与工艺，其中必须把好二次入槽处理液的配制和工艺参数制定这两个关键问题；经过多次研究与试验，总结整理出如下二次入槽处理液成分与工艺参数：

氯化镍 210g/L

盐酸 180mL/L

镀液温度 32～35℃

浸泡时间 4min

电流密度 3.5A/dm2

时间 6min。

在上述处理液中，经过二次入槽处理工艺后，接着转入正常电镀槽内进行冲击和不加金刚石电镀，电流密度2.2A/dm2，冲击电镀3min；之后转入正常加金刚石电镀程序中，电流密度为1.2A/dm2。

2.2.2 试验结果分析

本次试验只是一次尝试，仅仅试验电镀钻头的内外径致密程度，由于不便作试块试验，故没有检测其密度、硬度等力学性能，只能检测钻头的外部形貌，并进行野外钻进试验。试验钻头为直径75mm的绳索取芯钻头，二次成型好的电镀金刚石钻头的外部形貌见图4所示。对外部形貌放大检测表明，钻头镀层致密而平整，看不到有明显节瘤，钻头的内外径平整、光滑、美观，电镀钻头胎体的密实度有明显提高，保径效果明显优于图1所示的普通电镀金刚石钻头。试验钻头的效果还在于，钻头的内外径与工作层能够基本实现同步磨损，也就是当电镀钻头的内外径磨损到极限值时，电镀钻头的工作层也基本磨损完而失去工作能力，这正是试验所期待的结果。试制的2只钻头，在新疆某矿区钻进，岩石为可钻性8级的石英闪长斑岩，与本公司普通钻头对比试验，效果见表3所列。相比之下钻进时效接近，钻头使用寿命优于普通电镀金刚石钻头；由于保径效果提高，二次成型钻头的使用寿命提高18.3%。

图4 二次成型电镀金刚石钻头

表3 二次成型与普通方法钻头的对比

由此可知，二次成型电镀金刚石钻头不会由于钻头的保径效果不好而失去广大的钻探市场，产生的经济技术效益是明显的，值得推广应用。

3 结论

上述试验结果可得出如下几点结论：

(1)普通电镀金刚石钻头的主要不足之处在于针孔和节瘤的影响，降低了钻头的硬度与耐磨性，影响了电镀金刚石钻头的保径效果和使用寿命，失去了广大的钻探市场。

(2)试验表明，采用阴极移动方法可以明显减少镀层的针孔和节瘤，提高了钻头的耐磨性能，钻头的适应性得到很大提升，钻头的使用寿命比普通电镀金刚石钻头提高12.4m。

(3)采用二次成型方法，能够明显提高电镀钻头的保径效果，钻头工作层与保径层基本实现同步磨损，延长了钻头的使用寿命(10.30m)。

(4)采用阴极移动方法和二次成型方法制造金刚石钻头已在本公司逐步获得应用；本论文的研究还处于不断完善之中，取得的研究结果是有意义的，为电镀金刚石钻头厂商提供了可供借鉴的技术支持。