CN103952730A

CN103952730A - 电铸蜂窝结构金刚石地质钻头的制造方法

Info

Publication number: CN103952730A
Application number: CN201410168892.6A
Authority: CN
Inventors: 肖华山; 肖迅
Original assignee: JIANGXI SHANGPIN DIAMOND TOOL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGXI SHANGPIN DIAMOND TOOL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103952730B

Abstract

本发明公开了电铸蜂窝结构金刚石地质钻头的制造方法，在每升去离子水中加入硫酸镍：220-250g/L、硫酸钴：10-15g/L、硫酸锰：5-10g/L、氯化镍：30-45g/L、硼酸：30-40g/L、糖精：0.5～1g/L、十二烷基硫酸钠：0.05～0.1g/L、氯化铵：5-10g/L和0.2-0.5g/L的氧化铈搅拌混合制备成电铸液；将已加工好的钻头装入合成模中，再将合成模置入电镀槽中，在温度为20-30℃的电铸液、用电流密度为1.0～2.0A/dm²的电流进行冲击镀，然后用电流密度为1.5～2.0A/dm²下进行空镀形成被镀层后，将金刚石粉多次间隔地撒在刀头上形成金刚石合金镀层，制成电铸蜂窝结构的金刚石钻头。本发明电铸生产周期减少3天以上；镍用量减少10%-20%；提高钻进时效50%以上。

Description

电铸蜂窝结构金刚石地质钻头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种地质钻头，尤其是涉及电铸蜂窝结构金刚石地质钻头的制造方法。

背景技术

电铸金刚石地质钻头主要用于地质勘查、矿产探矿等行业，钻取地层岩芯，分析地质结构和矿产中矿物含量。现在市场上的电铸金刚石地质钻头工作部位（简称刀头）都是实心结构，刀头致密度高，而电铸生产粘探金刚石的材料金属镍含量较高，虽然这种含镍金刚石钻头磨损小、自锐性能较高、研磨效度高，但由于镍的硬度和抗冲击强度都很高，容易造成钻头在钻探过程中经常出现金刚石磨料的棱角已经磨钝，而粘接金刚石的金属镍却还牢牢把持住金刚石现象，这种现象发生会阻止新的金刚石磨料的露出（这个过程叫出刃），致使钻头钻进过程中打滑，进尺慢，施工作业时间延长，人工成本和能源消耗大幅度提高。特别是地层硬度越高，钻头打滑现象普遍甚至根本钻不动。现有市场上的电铸金刚石地质钻头钻进普遍石灰岩的时效为1-2米/小时，钻进低硬度花岗岩的时效为0.6-1米/小时，钻进高硬度花岗岩的时效为0-0.5米/小时，且电铸金刚石地质钻头的电铸工序时间至少为10天，周期比较偏长，目前金属镍的价格不断增高，而电镀过程中金属镍的消耗量也比较多，制造和使用成本高。

发明内容

针对现有技术中电铸金刚石地质钻头存在的上述缺点，本发明提供了一种降低电铸液中镍含量，并加入稀土元素，使钻头在沉积过程中能在金刚石刀头表面和内部形成网状蜂窝状孔，把刀头电铸成蜂窝式结构，制成蜂窝结构电铸金刚石地质钻头。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：电铸蜂窝结构金刚石地质钻头的制造方法包括以下步骤：

1.在每升去离子水中加入硫酸镍：220-250g/L、硫酸钴：10-15 g/L、硫酸锰：5-10 g/L、氯化镍：30-45 g/L、硼酸：30-40 g/L、糖精：0.5～1 g/L、十二烷基硫酸钠：0.05～0.1 g/L和氯化铵：5-10 g/L搅拌混合制备成电铸液：

2、再在电铸液中加入0.2-0.5 g/L的氧化铈，充分搅拌并调节PH值为4～4.5；

3、将已加工好的钻头装入合成模中，再将合成模置入电镀槽中，在温度为20-30℃的电铸液中、用电流密度为1.0～2.0 A/dm²的电流进行冲击镀，再用电流密度为1.5～2.0 A/dm²下进行空镀形成合金镀层后，然后上砂，将金刚石粉均匀地撒在刀头的合金镀层上，当金刚石粉被合金镀层包镶到金刚石粉的粒径的40%后，卸掉多余的金刚石粉后形成一层固定均匀的金刚石合金镀层，随后继续在金刚石层上进行电镀形成合金镀层，直到合金镀层包镶到金刚石粒径的80%后，继续重复进行下一次上砂过程，然后不断重复上述过程，直到沉积在刀头上的金刚石合金镀层厚度和高度达到设计要求停止电铸；

4、钻头电镀出槽后，脱模清洗，经干燥箱进行去氢处理，制成电铸蜂窝结构的金刚石钻头。

本发明的目的：通过减少刀头中金刚石磨料周围镍的用量，并在电镀液中加入稀土元素，使钻头在沉积过程中能在刀头表面和内部形成网状蜂窝状孔，把刀头电铸成蜂窝式结构，使金刚石磨料之间形成空隙，确保金刚石磨料的露出，有效地防止钻头在钻进过程中打滑，从而提高金刚石磨料的出刃速度和钻进速度，提高钻进时效，同时又可降低电铸生产过程中粘接金属镍的消耗，缩短电铸周期，减少电铸成本。

本发明的基理是：在减少现有电铸液中镍含量的同时，按0.2克/升比例在电铸液中添加稀士氧化铈（分析钝），由于氧化铈具有抑制电铸中产生的氢气析出的能力和分散能力，因而一是可使氢气留在电铸镍层中形成气孔，气孔消失后使电铸镍层内形成蜂窝孔结构；二是由于氢气被抑制析出，使电铸液电流效率提高，从而可加快镍的沉积速度，使刀头中金刚石周围的金属镍在钻探时提高磨耗速度，提高金刚石磨料的出刃速度；再是可使镍均匀分散在被电镀层中，使电镀层杂质减少、而晶粒更细化，结构更紧密，且稀土氧化铈可提高电镀层与基体间的结合强度，能显著提高金属镍对金刚石磨料的把持力，使金刚石磨料的出刃更高。

现有技术中钻头电镀金刚石刀头以镍（Ni）为基本成分, 电铸液主盐通常选用硫酸镍, 这是由金属镍及硫酸镍本身性质所决定的。镍是一种银白色金属, 硬度高、抗压强度高( 110kg/ mm2) 、熔点高( 1452℃) 、韧性好,强于铁等其他元素，同时具有较高的化学稳定性, 温度达到600℃以后才开始氧化, 常温下能很好地抵抗水、大气和碱的侵蚀, 它在硫酸盐和盐酸溶液中溶解很慢, 易溶于稀硝酸中, 这些特性正是钻头刀头金属所必须具备的。同时镍能和许多金属同时沉积, 如铁、锰、钴、钨等形成镍铁、镍钴、镍锰、镍钨合金,所以本发明在主盐中加入少量硫酸钴、硫酸锰，和镍镀层相比,镍钴锰合金镀层具有良好的硬度和耐磨性,而且硫酸盐溶液中镀出的含钴30%的合金,是硬度最高的镍钴合金,所以用它作为钻头的合金镀层对提高钻头的使用性能有利；氯化镍作为阳极活化剂，防止阳极钝化；硼酸作为缓冲剂，稳定镀液的PH值，防止阴极表面附近出现PH值升高而产生碱式盐；糖精为有机添加剂，使镀层结晶细致，使镀层产生压应力；十二烷基硫酸钠作为润湿剂（防针孔剂），使电镀过程中产生的氢气泡不易吸附在阴极表面，防止镀层产生针孔和麻点；氯化铵作为电镀液络合剂，能细化镀层晶粒，提高刀头的硬度和脆性；而本发明的关键创新点在于往传统电铸液中添加氧化铈稀士材料（0.2-0.5%），使钻头的合金镀层中产生气孔形成蜂窝结构，使金属结合剂的用量比传统工艺少10%-20%，使刀头中金刚石周围的金属镍钻探时磨耗速度适当提高，金刚石颗粒的出刃效果提高、采用特制专用的模具装夹（合成模），淘汰传统包扎法，提高生产效率。主要应用于再地质勘查，矿产探矿，水利水电工程等。

本发明的有益效果；经过江西省萍乡901地质大队和广东省肇庆292地质队等不同单位使用后反馈；钻进普通石灰岩的时效为3-5米/小时，钻进底硬度花岗岩的时效为1-3米/小时，使用效果明显优于国内其他厂家产品，钻探施工工期明显缩短，钻机消耗柴油总量减少，经济效果明显提升。并且通过工艺的改进，我们电铸过程中粘接金属镍的消耗降低了10%，而电铸生产周期降到8天以下。

本发明所述电铸蜂窝结构金刚石地质钻头有以下特点：

1、由于在传统电铸液中减少了镍含量，并添加了少量稀士材料，使钻头工作层中形成蜂窝状孔，从而可显著提高粘接合金对金刚石颗粒的把持力，提高金刚石颗粒的出刃效果；

2、电铸生产周期降到8天以下，比传统工艺少3天以上；

3、蜂窝结构使金属镍结合剂的用量比传统工艺少10%-20%；

4、同种岩层钻头钻进速度比传统工艺钻头快，提高钻进时效50%以上;

5、采用特制的模具装夹，淘汰传统包扎法，提高了电铸生产时效。

附图说明

图1为本发明的电铸蜂窝结构金刚石地质钻头俯视结构示意图，

图2为图1的A-A剖面结构示意图。

在图中，1、钻套 2、沉积台 3、刀头 4、退让槽 5、螺纹。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明。

如图1和图2所示，电铸蜂窝结构金刚石地质钻头包括钻套1和刀头3，所述钻套一端设置有沉积台2和退让槽4、另一端设置有螺纹5，所述金刚石地质钻头制造方法包括以下步骤：1.先按下述配比在每升去离子水加入硫酸镍：220-250g/L、硫酸钴：10-15g/L、硫酸锰：5-10g/L、氯化镍：30-45g/L、硼酸：30-40g/L、糖精：0.5～1g/L、十二烷基硫酸钠：0.05～0.1g/L、氯化铵：5-10g/L，搅动混合配置成电铸液；2、再在上述电铸液中加入0.2-0.5 g/L的氧化铈，充分搅拌并调节PH值为4～4.5；3.电铸工艺条件：PH值为4～4.5、温度为20-30℃、电流密度为1.0～2.0 A/dm²；4.电铸过程：将经过前处理的钻头钢铁带电浸入上述已加入了氧化铈的电铸液槽中，用电流密度为1.0～2.0 A/dm²的电流进行冲击镀，时间为2-4分钟，然后用1.5～2.0 A/dm²的电流进行空镀20分钟，空镀后上砂，用移液管将金刚石粉均匀地撒在刀头的被镀层上，金刚石选料：选用人造金刚石，粒度为50/60-80/100目。当金刚石粉被合金镀层包镶到金刚石粉的粒径的40%后，卸掉多余的金刚石粉后形成一层固定均匀的含有金刚石和镍的金刚石合金镀层，随后继续在金刚石合金镀层上继续电镀合金镀层，直到合金镀层包镶到金刚石粒径的80%后，继续用移液管重复进行下一次上砂过程，然后不断重复上述过程，上砂层数为10-15层，直到刀头上金刚石合金镀层的厚度达到设计要求为止；5电铸后处理：金刚石电镀出槽后，合成模脱模、清洗，经干燥箱220℃加热3-4小时进行去氢处理，然后装饰（镀一薄层亮镍）、包装即为成品。电铸前处理过程为机械加工钻头钢体、将钻头砂纸打磨、化学除油、稀盐酸浸蚀、电化学除油、导电夹具装夹，20%硫酸阳极活化，最后得到电铸蜂窝结构金刚石地质钻头。

当然，本发明制造的电镀蜂窝结构金刚石地质钻头不仅限于附图中的结构，还包括：1、选用多自由面的唇面形状，如梯齿型、锯齿型、尖齿型等将有利于岩石破碎，此时金刚石碎岩方式将由简单的耕犁、压入、压碎、刮削等表面破碎形式转变为更高效率的崩裂等体积破碎形式，有利于提高钻速，2、采用金刚石单晶保径，由于打滑层岩石特别坚硬，使用针状合金或聚晶保径往往会严重影响进尺，而金刚石单晶对于坚硬的井壁有刮削作用，有利于提高钻速。 3、选用扇形水口，扇形水口和直水口对比，可以使钻头内外唇面均衡磨损。水口数量在满足排粉、冷却的条件下，水口数量不宜过多。

Claims

1. 电铸蜂窝结构金刚石地质钻头的制造方法，它包括以下步骤：

a.在每升去离子水中加入硫酸镍：220-250g/L、硫酸钴：10-15 g/L、硫酸锰：5-10 g/L、氯化镍：30-45 g/L、硼酸：30-40 g/L、糖精：0.5～1 g/L、十二烷基硫酸钠：0.05～0.1 g/L、氯化铵：5-10 g/L搅拌混合制备成电铸液；

b、再在电铸液中加入0.2-0.5 g/L的氧化铈，充分搅拌并调节PH值为4～4.5；

c、将已加工好的钻头装入合成模中，再将合成模置入电镀槽中，在温度为20-30℃的电铸液中、用电流密度为1.0～2.0 A/dm²的电流进行冲击镀，再用电流密度为1.5～2.0 A/dm²下进行空镀形成合金镀层后，然后上砂，将金刚石粉均匀地撒在刀头的合金镀层上，当金刚石粉被合金镀层包镶到金刚石粉的粒径的40%后，卸掉多余的金刚石粉后形成一层固定均匀的金刚石合金镀层，随后继续在金刚石层上进行电镀形成合金镀层，直到合金镀层包镶到金刚石粒径的80%后，继续重复进行下一次上砂过程，然后不断重复上述过程，直到沉积在刀头上的金刚石合金镀层厚度和高度达到设计要求停止电铸；

d、钻头电镀出槽后，脱模清洗，经干燥箱进行去氢处理，制成电铸蜂窝结构的金刚石钻头。