尹玉波1楊凱華2

    (1.中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,武漢430074)(2.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,武漢430074)

　　電鍍金剛石鉆頭目前多采用鎳基合金胎體,在鉆進(jìn)硬而完整的巖石中能取得好的效果,但在鉆進(jìn)較破碎的和強(qiáng)研磨性巖石時(shí),鉆頭的耐磨性不理想,主要表現(xiàn)為鉆頭的保徑能力較差,導(dǎo)致鉆頭的使用壽命縮短,這是電鍍金剛石鉆頭需要解決而長期尚未解決好的問題。本論文針對電鍍金剛石鉆頭的這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)與研究,采用二次成型工藝和陰極移動(dòng)方法,明顯地提高了鉆頭的保徑效果。采用二次成形方法的電鍍鉆頭平均壽命提高22%;而采用陰極移動(dòng)方法的電鍍鉆頭的硬度平均提高8%,耐磨性提高26%?；旧蠈?shí)現(xiàn)了鉆頭的同步磨損,明顯地提高了鉆頭的使用壽命。

    關(guān)鍵詞：保徑效果;二次成型;陰極移動(dòng);同步磨損

    中圖分類號：TQ164;TG74文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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

    文章編號:1006-852X(2010)03-0041-03

    0問題的提出

    電鍍金剛石鉆頭的胎體是鎳基合金,它具有比較理想的硬度與耐磨性,因而電鍍鉆頭對多數(shù)巖層具有好的適應(yīng)性,得到了廣泛的應(yīng)用。特別在工程勘察中,由于鉆進(jìn)時(shí)效較高而被廣泛采用。但是,電鍍金剛石鉆頭由于在成型過程中,受到析氫的影響,鍍層中不可避免地出現(xiàn)針孔和滲氫現(xiàn)象,特別是在戴上模具后鉆頭工作層的內(nèi)外徑部位更加突出,鍍層的孔隙率增加,鍍層由于滲氫而變脆,其耐磨性明顯下降,保徑能力較差,導(dǎo)致電鍍鉆頭的內(nèi)外徑先行磨損而使得鉆頭提前失效,最終影響整個(gè)鉆頭的使用壽命。從上述的分析可知,要提高電鍍鉆頭的保徑效果必須減少鍍層的孔隙率,減少氫脆對鍍層耐磨性的不良影響。經(jīng)過試驗(yàn)研究,采用二次成型工藝和陰極移動(dòng)是電鍍金剛石鉆頭提高保徑效果的有效方法,從而能夠提高鉆頭的使用壽命。

    1二次成型工藝試驗(yàn)

    二次成型工藝就是指電鍍鉆頭的工作層成型與保徑層成型分兩次完成,改變了過去電鍍鉆頭的保徑層厚度滿足要求后,戴上模具,繼續(xù)電鍍工作層,直到鉆頭的設(shè)計(jì)要求。二次成型工藝則是鉆頭入槽電鍍后戴上模具直接電鍍工作層,當(dāng)工作層的高度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后出槽,卸去模具,經(jīng)二次鍍前處理入槽電鍍。二次入槽電鍍只電鍍內(nèi)外徑,鉆頭不戴模具,內(nèi)外徑處于開放狀態(tài),電鍍中所析出的氫不容易在內(nèi)外徑表面滯留,有效地保證了鉆頭的內(nèi)外徑鍍層內(nèi)極少滲氫,因而鉆頭的保徑效果得到提高。

    1.1模具與工藝設(shè)計(jì)

    電鍍鉆頭的模具設(shè)計(jì)不同于一次成型電鍍鉆頭的模具設(shè)計(jì)。二次成型的模具的壁厚可以減薄,一般為4~5mm即可;其高度必須比鉆頭的工作層高度高出3mm;模具的光潔度盡可能高;內(nèi)模的外徑比剛體的內(nèi)徑應(yīng)小0.10mm,而外模的內(nèi)徑應(yīng)比剛體的外徑大0.10mm。模具的這些設(shè)計(jì)參數(shù)將有利于鉆頭成型和電鍍后容易脫模。

    鉆頭的絕緣方法也有別于普通的絕緣方法,見圖1所示。絕緣中除了采用常規(guī)的塑料膠帶絕緣外,設(shè)計(jì)了內(nèi)、外底模,增強(qiáng)了絕緣效果,減少二次入槽前的準(zhǔn)備工作。

    電鍍鉆頭工藝參數(shù)中,首先要注重鍍前的處理工藝,這是保證電鍍金剛石鉆頭鍍層與剛體結(jié)合牢固、不起皮、不掉塊的重要工序。鉆頭經(jīng)電化學(xué)除油、陽極活化后入槽電鍍,電鍍1h后戴上模具,對鉆頭的底唇面加金剛石復(fù)合鍍。入槽后加模具前的電鍍時(shí)間不要少于1h,這是為了保證鍍層與剛體有很強(qiáng)的結(jié)合力,也為了后續(xù)的二次成型創(chuàng)造有利的條件 。、

 1.2二次入槽處理

    電鍍鎳基合金在二次入槽前,一定要經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)處理與預(yù)鍍工藝,才能保證新的鎳合金鍍層與底層鎳合金的牢固結(jié)合。一般情況下,鎳鍍層出槽后經(jīng)過一段時(shí)間需要繼續(xù)電鍍時(shí),不能采取普通的陽極活化方法,而應(yīng)該采用特殊的活化方法,方能保證鍍層不脫落、不起皮。預(yù)鍍工藝包括預(yù)鍍鍍液成分與陽極活化工藝兩方面,下面主要介紹預(yù)處理與預(yù)鍍方法。

    首先,對于需要二次入槽電鍍的鉆頭進(jìn)行鍍前電化學(xué)除油處理;清洗干凈之后在硫酸溶液中進(jìn)行陽極活化處理,時(shí)間一般取3~5min,電流密度取30A/dm2;清洗干凈后進(jìn)入電鍍槽內(nèi)進(jìn)行弱浸蝕和預(yù)鍍處理,溶液成分為氨基磺酸100g/L,在25~30℃條件下,采用10A/dm2電流密度,經(jīng)陽極活化3min之后,再轉(zhuǎn)入普通電鍍槽內(nèi)進(jìn)行電鍍。

    轉(zhuǎn)入普通電鍍槽后,依然應(yīng)該先進(jìn)行沖擊電鍍,時(shí)間為3min,電流密度取3.0A/dm2,以確保鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。然后采用正常的電流密度電鍍30min,就可以加金剛石,進(jìn)入正常的電鍍金剛石鉆頭的程序。

    1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

    本研究成果在福建福州華力金剛石鉆頭公司得到了推廣應(yīng)用。該公司目前有鍍槽40個(gè),采用鎳-鈷與鎳-錳兩種鍍液配方,一次可以電鍍75mm規(guī)格鉆頭200個(gè),全部推廣了二次成形電鍍工藝,取得了明顯的效果。在福州外環(huán)公路某勘察工地做了鉆進(jìn)試驗(yàn)對比,鉆進(jìn)地層為砂卵石層加風(fēng)化花崗巖層;試驗(yàn)8個(gè)75mm鉆頭,其中普通鉆頭3個(gè),二次成型鉆頭5個(gè),兩種鉆頭交替使用;采用YL-6型鉆機(jī),鉆進(jìn)參數(shù)為:鉆壓0.9~1.0kN,鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)374r/min,泵量40L/min,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    由表1的資料可知,二次成形鉆頭平均鉆進(jìn)32.35m,普通鉆頭平均鉆進(jìn)26.49m,平均提高22%;兩種鉆頭的鉆進(jìn)速度基本相當(dāng),由此可知二次成形方法電鍍的鉆頭具有明顯的優(yōu)勢。

    分析其原因,主要是采用二次成形方法后,鉆頭的內(nèi)、外徑鍍層中由于析氫造成的孔隙率大大減少,鍍層致密性得到提高,耐磨性隨之提高,保徑層與工作層基本實(shí)現(xiàn)了同步磨損。這說明了提高電鍍鉆頭的保徑效果,是提高電鍍鉆頭質(zhì)量和使用壽命的最有效的途徑之一。

    2陰極移動(dòng)電鍍方法試驗(yàn)

    2.1陰極移動(dòng)設(shè)計(jì)研究

    雖然采用二次成型電鍍金剛石鉆頭工藝,可以大大降低鍍層表面氫氣泡滯留和滲氫現(xiàn)象,從而減少鍍層孔隙率,提高鍍層的耐磨性能。但是,二次成形增加了一道電鍍工序,其電鍍效果仍然有待進(jìn)一步提高,以期達(dá)到更好的效果。因此,本論文在試驗(yàn)研究中,還進(jìn)行了鉆頭陰極移動(dòng)的試驗(yàn)。 

電鍍金剛石鉆頭的移動(dòng)裝置的動(dòng)力選用無級調(diào)速直流電機(jī),由直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹Ъ艿囊苿?dòng),系采用偏心輪實(shí)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)偏心距可以調(diào)整移動(dòng)的距離。支撐鉆頭的支架和滑道均采用塑料材料制成?；涝O(shè)計(jì)為非平滑的軌道,以增加移動(dòng)中的振動(dòng)作用,加速氫氣泡的逸出速度。以單槽為例,移動(dòng)裝置如圖2所示。

    試驗(yàn)研究中陰極移動(dòng)電鍍金剛石鉆頭的技術(shù)參數(shù)主要指移動(dòng)的頻率和移動(dòng)距離。移動(dòng)頻率的考慮依據(jù)是去除氫氣泡的能力和對鍍液濃差極化的影響程度。采用單因素設(shè)計(jì)思路進(jìn)行試驗(yàn),由于鍍槽的規(guī)格已經(jīng)固定,因此,固定鉆頭的移動(dòng)距離不變,只能改變移動(dòng)頻率進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)移動(dòng)頻率為5個(gè)試驗(yàn)水平:即10、15、20、25和30r/min。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明,只要鉆頭在移動(dòng)就會有效果,移動(dòng)頻率30r/min使得鍍液波動(dòng)較大,不宜采用;移動(dòng)頻率達(dá)到25r/min時(shí),鍍槽的液面比較平靜,被鍍表面已經(jīng)看不到有氫氣泡存在,在該移動(dòng)頻率下,電流密度達(dá)到3.5A/dm2時(shí),也能鍍出質(zhì)量符合要求的鍍層,鍍層平整、光亮,見圖3所示。

    2.2試驗(yàn)效果與分析

    試驗(yàn)用的電鍍液采用電鍍金剛石鉆頭的鎳-鈷配方:硫酸鎳280g/L,硫酸鈷15g/L,氯化鈉17g/L,硼酸38g/L[2]。電鍍工藝:鍍液溫度34~35℃,自控調(diào)溫;pH值4.1~4.8;電流密度3.0A/dm2。 

　　2.2.1外部形貌

    圖3a中為上述鍍液配方與工藝條件下,在移動(dòng)頻率25r/min、電流密度3.0A/dm2鍍出試件的外部形貌;圖3b中為同樣電鍍條件下,無移動(dòng)時(shí)的鍍層表面形貌,以上均為電鍍24h的效果。對比后可知,鉆頭移動(dòng)對電鍍鉆頭的質(zhì)量將產(chǎn)生了明顯的影響,鍍層致密、平整而光亮。這無疑會直接影響鍍層對金剛石的包鑲強(qiáng)度,影響鍍層的耐磨性能。

    2.2.2試件的硬度與耐磨性

    通過對圖3的兩個(gè)試件進(jìn)行硬度與耐磨性測試,結(jié)果表明兩者存在明顯的差別。硬度測試可采用HV-1000型顯微硬度計(jì),結(jié)果見表2。耐磨性采用MPx-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),試件1的耐磨性為42mg,試件2的耐磨性為53mg。

    2.2.3結(jié)果分析

    由試驗(yàn)結(jié)果可知,試件1比試件2的硬度平均提高8%,而耐磨性提高26%。

    陰極移動(dòng)能夠提高電鍍質(zhì)量的原因,主要在于(上接第43頁)移動(dòng)過程中能夠有效地驅(qū)趕氫氣泡,使得電鍍過程中析出的氫氣泡及時(shí)離開鍍層表面,大大減少滲氫和氫脆的發(fā)生,鍍層致密性和耐磨性得到提高,金剛石在致密的鍍層中提高了包鑲強(qiáng)度,鉆頭的質(zhì)量隨之得到提高。

    由試驗(yàn)結(jié)果可知,采用陰極移動(dòng)方法對于提高電鍍速度和改善鍍層的質(zhì)量,能產(chǎn)生良好的影響。只要依據(jù)鍍槽的規(guī)格,優(yōu)化移動(dòng)速度和移動(dòng)距離,并配合電流密度與鍍液溫度等基本參數(shù),就可以獲得最佳的鍍層質(zhì)量,達(dá)到提高電鍍金剛石鉆頭質(zhì)量的目的。 

　　3結(jié)論

    通過二次成型電鍍工藝和鉆頭移動(dòng)方法的試驗(yàn)研究,可以得出以下的研究結(jié)果:

    (1)二次成型工藝技術(shù),能夠有效地減少氫氣泡在鍍層表面滯留,減少滲氫的幾率,提高鍍層的致密性和包鑲金剛石的強(qiáng)度,有利于提高鉆頭的保徑效果。試驗(yàn)結(jié)果表明鉆頭的使用壽命較普通鉆頭提高了22%,這充分表明二次成型工藝可行,技術(shù)方法可靠。

    (2)采用陰極移動(dòng)的方法,可以大大減少鍍層孔隙率,提高鍍層的質(zhì)量,鉆頭的硬度平均提高8%,而耐磨性提高26%。同時(shí)能夠明顯降低鍍液的濃差極化,可以提高電鍍速度,提高電鍍金剛石鉆頭的生產(chǎn)效率。試驗(yàn)結(jié)果說明陰極移動(dòng)方法的設(shè)計(jì)思路正確,試驗(yàn)方法與技術(shù)路線合理。

    (3)采用陰極移動(dòng),必須保持鍍液清潔無雜質(zhì),每批電鍍鉆頭出槽后一定要仔細(xì)過濾鍍液,進(jìn)行化驗(yàn)分析調(diào)整好鍍液,以保持鍍液成分的穩(wěn)定性。雖然推廣應(yīng)用較易實(shí)現(xiàn),但成本略高。

    (4)雖然采用陰極移動(dòng)或二次成型方法可以收到好的效果,如果將這兩種方法結(jié)合起來應(yīng)用,將會獲得更好的效果,不僅能夠提高電鍍鉆頭的質(zhì)量,而且能夠提高生產(chǎn)效率。

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    作者簡介：尹玉波,女,1974年生,中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,講師,博士在讀,主要研究方向之一是金屬基復(fù)合材料應(yīng)用研究。