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當(dāng)前位置：首頁 > 新聞信息- 超聲波電鍍鎳基金剛石鉆頭工藝與機(jī)理研究
- 錄入時(shí)間: 2015/3/2
摘要：電鍍?nèi)嗽旖饎偸@頭是電鍍金剛石工具中的一種,適用于鉆進(jìn)中硬至堅(jiān)硬巖層、鋼筋混凝土、建筑材料、耐火材料、陶瓷及其它硬脆非金屬材料,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、工程勘察、建筑材料加工、寶玉石加工、醫(yī)療保健、塑料模具制造等領(lǐng)域。該項(xiàng)制造技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代初期,經(jīng)過三十多年的發(fā)展,其制造水平有了很大的提高,但還存在許多問題,如金剛石鉆頭生產(chǎn)周期長、保徑效果欠佳、適應(yīng)范圍窄等。特別是近年來,隨著我國地質(zhì)工作的大力推進(jìn)與拓展,電鍍金剛石鉆頭制造業(yè)的發(fā)展面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此,實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)電鍍金剛石鉆頭,并提高鉆頭的綜合性能,以滿足不斷擴(kuò)大的市場需求,是一件迫切而有意義的事情。 基于電鍍金剛石鉆頭現(xiàn)今的具體實(shí)況與存在問題,本論文借鑒超聲波在電鍍中的應(yīng)用,開展了超聲波在電鍍鎳基金剛石鉆頭中的應(yīng)用研究。即在前人研究電鍍金剛石鉆頭的基礎(chǔ)上,將超聲波引入電鍍金剛石鉆頭制造過程中,解決當(dāng)前電鍍金剛石鉆頭中存在的問題,實(shí)現(xiàn)電鍍金剛石鉆頭的快速、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。按照論文的主旨,采用電化學(xué)測試技術(shù)、材料結(jié)構(gòu)測試技術(shù)、材料機(jī)械性能測試技術(shù),開展了超聲波對(duì)鎳電沉積機(jī)理、鍍液性能、鍍層微觀結(jié)構(gòu)、鍍層機(jī)械性能等方面的影響研究。在超聲波作用機(jī)理研究及超聲波對(duì)鍍液、鍍層性能的影響研究的基礎(chǔ)上,開展了超聲波電鍍金剛石鉆頭制造工藝的研究,最后進(jìn)行超聲波電鍍鉆頭的室內(nèi)外鉆進(jìn)試驗(yàn)。
超聲波對(duì)鎳電沉積機(jī)理的影響研究,主要包括以下5個(gè)方面:(1)利用塔菲爾曲線,研究超聲波對(duì)鎳電沉積動(dòng)力學(xué)過程的影響;(2)根據(jù)線性掃描曲線,分析超聲波對(duì)鎳電沉積陰極極化的影響;(3)利用電化學(xué)循環(huán)伏安技術(shù),區(qū)分鎳電沉積時(shí)陰極極化的類型;(4)采用單電位階躍計(jì)時(shí)電流法,研究超聲波對(duì)鎳電結(jié)晶過程的影響;(5)利用線性掃描技術(shù),研究超聲波對(duì)鎳電沉積過程中陰極析氫反應(yīng)的影響。 Tafel曲線試驗(yàn)結(jié)果顯示,超聲波的施加使鎳電沉積的平衡電位向正移了約70mV。線性掃描伏安曲線表明,在鎳電沉積時(shí),施加超聲波能顯著降低陰極濃差極化,但對(duì)電化學(xué)極化無明顯影響。鍍液的循環(huán)伏安曲線表明:在電位正于-1.0V(vs.S.C.E)時(shí),超聲波的施加沒有改變鎳電結(jié)晶時(shí)的極化類型,即本體沉積時(shí)陰極過程由電荷傳遞步驟控制,異相沉積時(shí)由成核步驟控制;當(dāng)電位由-1.0V(vs.S.C.E)繼續(xù)負(fù)移時(shí),靜止?fàn)顟B(tài)下鎳電沉積開始出現(xiàn)明顯的濃差極化,而施加超聲波后,陰極仍為電化學(xué)極化控制。單電位階躍試驗(yàn)結(jié)果顯示:在有、無超聲波作用下,鎳電結(jié)晶均按三維半球形成核模式進(jìn)行,但超聲波的施加有助于提高晶核在垂直于基體方向上的生長速率和鎳離子擴(kuò)散系數(shù);陰極電位E對(duì)鎳電沉積成核模式有明顯的影響,隨著電位負(fù)移,鎳電結(jié)晶由連續(xù)成核轉(zhuǎn)變?yōu)樗矔r(shí)成核。對(duì)鍍液底液中析氫反應(yīng)的研究表明,超聲波的施加能抑制陰極區(qū)pH值的升高,降低鍍層滲氫和夾雜。 根據(jù)電鍍金剛石鉆頭對(duì)鍍液性能的要求,本文從以下5個(gè)方面來研究超聲波對(duì)鍍液性能的影響:(1)采用線性掃描法大致測量極限擴(kuò)散電流密度;(2)利用循環(huán)伏安曲線并結(jié)合掃描后的鍍層外觀分析,綜合估計(jì)許用電流密度上限;(3)采用遠(yuǎn)近陰極法測定鍍液的分散能力;(4)采用單陽極內(nèi)孔法測定鍍液的深鍍能力;(5)采用銅庫侖法來測量陰極電流效率。線性掃描試驗(yàn)結(jié)果表明,施加超聲波后,極限擴(kuò)散電流密度提高了3.5倍,超聲波的施加能顯著地降低鎳電沉積時(shí)的濃差極化,提高擴(kuò)散系數(shù),減小擴(kuò)散層厚度。循環(huán)伏安曲線試驗(yàn)表明,靜止?fàn)顟B(tài)下,所研究的電鍍液體系的許用電流密度上限i_m=11A/dm~2,施加超聲波后,許用電流密度上限i_m=34A/dm~2。超聲波的施加使許用電流密度上限提高了2.1倍。鍍液分散能力試驗(yàn)結(jié)果表明,超聲波作用下鍍液分散能力得到了改善,如1.5W/cm~2超聲波作用下,分散能力提高了19.1%。深鍍能力試驗(yàn)結(jié)果表明,超聲波的施加能顯著改善鍍液深鍍能力,如靜止?fàn)顟B(tài)下鍍液深鍍能力為28.3%,1.5W/cm~2超聲波作用下深鍍能力為63.7%。陰極電流效率試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)電流密度為2A/dm~2時(shí),施加超聲波后電流效率略有降低;當(dāng)電流密度為4A/dm~2時(shí),靜止?fàn)顟B(tài)下陰極電流效率降低至87.2%,而施加超聲波后仍能保持較高的電流效率93.5%。 金屬鍍層的微觀結(jié)構(gòu)在很大程度上決定鍍層的宏觀物理性質(zhì)和機(jī)械性能。本文選取鎳鍍層的結(jié)晶取向、晶粒尺寸和表面形貌來表征鍍層的微觀結(jié)構(gòu)。其中鍍層的結(jié)晶取向和晶粒尺寸采用X射線衍射法測定,鍍層的表面形貌通過掃描電子顯微鏡來觀察。鍍層的X射線衍射測試結(jié)果顯示:當(dāng)電流密度為2A/dm~2,鎳鍍層沿(200)面呈現(xiàn)高擇優(yōu)取向,超聲波的施加對(duì)鎳鍍層的擇優(yōu)取向沒有明顯影響;當(dāng)電流密度升高到8A/dm~2,靜止?fàn)顟B(tài)下鎳鍍層由(200)面擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)?220)面擇優(yōu)取向,而施加超聲波后,鍍層趨于無擇優(yōu)取向。當(dāng)電流密度從2A/dm~2提高到8A/dm~2時(shí),鍍層晶粒尺寸有所減小,但超聲波的施加對(duì)鍍層晶粒尺寸均無明顯影響。鍍層SEM圖譜顯示,當(dāng)電流密度為2A/dm~2時(shí),有、無超聲波作用下的鎳鍍層表面結(jié)構(gòu)均為垂直于基體表面的棱錐形晶體,超聲波的施加沒有改變鎳鍍層的結(jié)晶形狀。當(dāng)電流密度為8A/dm~2時(shí),靜止?fàn)顟B(tài)下,鎳鍍層的表面結(jié)構(gòu)為麻繩狀粗晶,與2A/dm~2電流密度下所得鍍層相比,鍍層表面結(jié)晶明顯粗化;施加超聲波后,鎳鍍層微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化,鍍層表面結(jié)構(gòu)為半球狀微晶,顆粒細(xì)小,結(jié)構(gòu)致密。該試驗(yàn)結(jié)果表明,在較高電流密度下,超聲波的施加能顯著降低電沉積過程中晶粒的團(tuán)聚,細(xì)化鍍層。
基于實(shí)際鉆探中對(duì)金剛石鉆頭胎體的要求,本文從以下5個(gè)方面來研究超聲波對(duì)鎳鍍層機(jī)械性能的影響:(1)采用顯微壓入硬度法測定鍍層的硬度;(2)采用磨耗試驗(yàn)來評(píng)定鍍層的耐磨性;(3)采用彎曲陰極法測試鍍層的內(nèi)應(yīng)力;(4)采用浸漬法測量鍍層的孔隙率;(5)根據(jù)鍍層和金剛石之間的界面形貌來定性分析鍍層對(duì)金剛石的包鑲強(qiáng)度。鍍層硬度和耐磨性測試結(jié)果表明,超聲波的施加能顯著提高鎳鍍層的硬度和耐磨性。如當(dāng)采用6A/dm~2的電流密度時(shí),靜止?fàn)顟B(tài)下鎳鍍層硬度為HV305,施加1.2W/cm~2超聲波后硬度提高到HV469,超聲波的施加使純鎳鍍層硬度提高了約50%。超聲波作用下,純鎳鍍層硬度與生產(chǎn)中常用的Ni-Co胎體的硬度相當(dāng),滿足電鍍金剛石鉆頭對(duì)胎體硬度的要求。鍍層內(nèi)應(yīng)力與孔隙率試驗(yàn)結(jié)果表明,超聲波的施加能顯著降低鍍層內(nèi)應(yīng)力和孔隙率。含金剛石鍍層的SEM圖譜顯示,在鎳鍍層和金剛石的交界處總存在一定寬度的下陷型縫隙,施加超聲波后,縫隙有所變窄;并且,施加超聲波后,金剛石周緣鍍層有隆起現(xiàn)象。超聲波的施加改善了鍍層與金剛石之間的結(jié)合情況。 綜合分析上述研究結(jié)果,擬定超聲波電鍍工藝為:施加超聲波時(shí),采用電流密度為6A/dm~2,超聲波聲強(qiáng)為0.9W/cm~2。經(jīng)研究,確定復(fù)合鍍工藝為:加金剛石后,先在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行預(yù)復(fù)合鍍,待金剛石已經(jīng)被包鑲至1/5粒徑處,施加超聲波,采用6A/dm~2電流密度,開始快速復(fù)合鍍?；谏鲜鰪?fù)合鍍工藝,結(jié)合電鍍金剛石鉆頭實(shí)際制造過程,制定超聲波電鍍金剛石鉆頭工藝。研究表明,超聲波電鍍工藝制造金剛石鉆頭,一天可以加4層以上金剛石,相比于比常規(guī)電鍍工藝,鉆頭生產(chǎn)周期縮短一半以上。為了驗(yàn)證超聲波電鍍金剛石鉆頭制造工藝,進(jìn)行了鉆頭制造及其室內(nèi)外鉆進(jìn)試驗(yàn)。野外鉆進(jìn)試驗(yàn)表明,超聲波電鍍工藝制造金剛石鉆頭,使鉆頭鉆進(jìn)時(shí)效提高了33%,鉆頭壽命提高幅值更是高達(dá)54.6%。綜上所述,研究的超聲波電鍍工藝,具有可縮短電鍍金剛石鉆頭生產(chǎn)周期一半以上、顯著提高鉆頭時(shí)效與壽命等作用,極具應(yīng)用價(jià)值。 總的來說,本文通過大量試驗(yàn)和理論分析,探討了超聲波對(duì)鎳電沉積過程中的作用機(jī)理,確定了超聲波電鍍金剛石鉆頭的制造工藝,成功地將超聲波引入電鍍金剛石鉆頭制造過程中,實(shí)現(xiàn)了采用超聲波電鍍法快速、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)金剛石鉆頭,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)