電鍍金剛石鉆頭胎體性能與電鍍工藝的關系研究

1、文章編號:1006-852X(200406-0034-03電鍍金剛石鉆頭胎體性能與電鍍工藝的關系研究STUDY ON THE RELATION OF MATRIX PERFORMANCE OF ELECTROPLATED DIAMOND BIT WITH ELECTROPLATING TECHNIQUE楊洋1潘秉鎖2楊凱華2(11中國地質大學研究生院武漢430074;21中國地質大學工程學院武漢430074Yang Yang1Pan Bingsuo2Yang Kaihua2(11G raduate School,China University o f Geosciences,Wuhan430

2、074,China(21Faculty o f Engineering,China University o f Geosciences,Wuhan430074,China摘要:電鍍金剛石鉆頭的胎體性能對巖石的適應性顯著影響鉆頭的鉆進效果。為了確定電鍍金剛石鉆頭胎體材料性能與鍍液組成及電鍍參數(shù)的關系,本文從研究鍍液配方和優(yōu)化工藝參數(shù)入手,采用正交試驗方法研究了鍍液中鎳離子濃度、鈷離子濃度、鍍液p H值和陰極電流密度等四個因素對鍍層耐磨性的影響。鍍層耐磨性以硬度和孔隙率加權綜合表示。采用極差分析法處理了試驗結果,得出了影響鍍層耐磨性的主次因素為(從主到次鍍液p H值y陰極電流密度y 鈷離子濃度y

3、鎳離子濃度,從而確定了可獲得不同耐磨性鍍層、適應不同地層的鍍液配方和電鍍工藝參數(shù)。研究為有針對性地制造和選用電鍍金剛石鉆頭提供了較好的依據(jù)。關鍵詞:電鍍;金剛石鉆頭;工藝參數(shù);胎體性能;鎳-鈷合金中圖分類號:TH2513TQ164文獻標識碼:AAbstract:The performance of electroplated diamond bit is greatly affected by the adaptability of its matrix material performance to the rock drilled1In order to determi ne the de

4、pandance of matri x material performance of electroplated diamond bit on the bath composition and operating parameters,in this paper orthogonal desi gn method was adopted to study the effects of the concentration of Ni2+,the concentration of Co2+,the pH value of plating solution and cathodic current

5、 density on deposit.s weari ng resistance1Deposi t.s wearing resistance was evaluated by weighted su m of its hardness and porosi ty1The experimental results were disposed by range analysis method,It was showed that the factors which affecting deposit.s wearing resis tance were the p H value,the cat

6、hodic curren t density,the concentration of Co2+and the concentrati on of Ni2+from the principal factor to the second one1According to those results,we obtained the formulation of plating soluti on and electroplated technological parameterswhich can produce deposit of di fferent wearing resistance a

7、nd then adapt to differen t rock formations were decided1This research supplies a support for the manufacture and selection of electroplated diamond bi t which fit di fferent rock formations1Key words:electroplating;diamond bit;technical parameters;matrix material performance;Ni-Co alloy1問題的提出很長時間以來

8、,一直認為電鍍金剛石鉆頭的胎體性能變化范圍不大,對巖石的適應性不廣,這使電鍍金剛石鉆頭的應用受到了一定的限制。這雖然不是客觀的評價,但電鍍鉆頭確實不如熱壓鉆頭那樣其性能可調范圍較廣。比如,在破碎巖層和強研磨性巖層中鉆進時,電鍍鉆頭的耐磨性常顯不足;在堅硬巖層鉆進時,電鍍鉆頭的鉆進效率一般較低。在這種觀點的影響下,人們很少研究在各種因素綜合作用下的鍍層性能,使得所用的鍍液配方比較單一,用于不同地層的鉆頭的胎體性能基本一樣。但生產實踐要求電鍍鉆頭的胎體性能應在較大范圍內可調,以適應巖層變化的需要,因此,應該對影響鉆頭性能的鍍液配方和電鍍工藝進行深入的試驗與研究,找出鍍液成分和電鍍參數(shù)對鍍層的影響規(guī)

9、律,以制造不同胎體性能的電鍍金剛石鉆頭,滿足生產的需要。2研究方法目前,電鍍金剛石鉆頭多數(shù)采用鎳-鈷合金胎體。這是因為鎳-鈷合金對金剛石有很好的潤濕性和包鑲能力,鎳-鈷合金可以保證鉆頭在孔底承受復雜的應力,能滿足鉆頭胎體應具備的抗壓強度、耐磨性等要求。所以,研究的基礎電鍍液選用鎳-鈷電鍍溶液。2004年12月金剛石與磨料磨具工程December12004總第144期第6期Diamond&Abrasives Engineering Serial1144No16211基本思路影響鎳-鈷合金電鍍質量的因素有兩類:鍍液成分和電鍍工藝參數(shù)。鎳-鈷合金鍍液的基礎成分為硫酸鎳、硫酸鈷、氯化鈉和硼酸,

10、而對鎳-鈷合金鍍層性能影響明顯的是鎳離子和鈷離子的濃度以及它們的比例。工藝參數(shù)包括鍍液的pH值、鍍液溫度、陰極電流密度、鍍液攪拌等1。鍍液中鈷離子濃度對鍍層的耐磨性有明顯的影響,因為鈷離子濃度直接影響鍍層中鈷的濃度,但不能只研究鈷離子濃度的影響。因為鍍液中的鎳離子濃度、鍍液pH值、鍍液溫度和電流密度等對鈷的沉積都有影響,而且鍍液pH值、鍍液溫度和電流密度等因素還影響鍍層的內應力和鍍層結構,從而對鍍層的性能產生復雜的影響。因此,除研究鈷離子濃度的影響外,還必須同時研究鎳離子濃度、鍍液溫度、鍍液pH值和陰極電流密度等的影響與作用。根據(jù)生產經驗,在35e條件下制造的電鍍金剛石鉆頭具有較好的性能,因此

11、把鍍液溫度作為不變因素處理,即本試驗將鍍液溫度統(tǒng)一設定在35e。在電鍍金剛石鉆頭生產中,采用鍍液攪拌的也不多,本文也沒有考慮。硼酸是緩沖劑,用于調節(jié)鍍液的pH值,一般在3540g/L具有最佳的緩沖性能。氯化鈉的作用是防止陽極鈍化,它們對鍍層的機械性能無顯著影響。為了簡化試驗,本文對硼酸和氯化鈉不進行試驗研究。選擇H3BO3的加量為35g/L, NaCl的用量為15g/L。所以,在影響鍍層性能的所有因素中,本次試驗只選擇鍍液中硫酸鎳含量、硫酸鈷含量、鍍液pH值和陰極電流密度作為研究因子進行試驗研究。212研究方案由于涉及的因素有四個,每個因素都有一個基本的取值范圍。如果每個因素取四個試驗水平,作

12、全面試驗,這樣就要作幾十個實驗,要花許多時間和精力。因此,本文采用正交試驗設計方法進行研究。依據(jù)經驗,初步設計為四因素四水平的正交試驗設計L16(44:¹硫酸鈷:10g/L,15g/L,20g/L,25g/L;º硫酸鎳:190g/L,220g/L,250g/L,280g/L;»pH值:315,410,415,510;¼電流密度:019A/dm2,117A/dm2,216A/dm2, 315A/dm2。試驗表頭設計為L16(44,見表1所列。這樣,我們只要作16次試驗就基本可以達到目的。213試驗指標研究目的要求檢測鉆頭胎體材料的耐磨性,但是目前還沒有完善

13、的測定儀器。由材料的耐磨性與其它機械性能的關系可知,對于同一組成體系的材料,材料的硬度與耐磨性有很好的一致性和相關性。大多數(shù)情況下,硬度高的材料其耐磨性較高。因此可以采用間接的方法,先測定胎體的硬度,以硬度代替耐磨性2,3。以胎體硬度作為選擇鉆頭的依據(jù),生產單位均認可這種做法。硬度測試的試樣厚度為015mm,所用的儀器為B UE HLER公司生產的MICROMET2000顯微硬度計,載荷100g,每個試樣測5個點,然后取平均值。孔隙度也是衡量胎體性能的重要指標,它直接影響胎體的密實程度,影響胎體的耐磨性。本文采用貼濾紙法測定鍍層的孔隙率:腐蝕溶液采用10g/L 鐵氰化鉀和20g/L氯化鈉混合溶

14、液。濾紙粘貼時間為10分鐘。試樣為Á26mm電鍍鎳-鈷合金片,鍍層厚度為15L m。因此,我們確定胎體的硬度、孔隙度作為試驗的指標。3試驗結果及分析試驗指標為兩項,這兩項指標反映鉆頭胎體性能的程度不同。從機械摩擦磨損理論分析,硬度與耐磨性有很好的相關性,即隨著硬度增加,耐磨性也相應增加。所以硬度在試驗指標中應該占較大的比重,依經驗確定為70%?？紫堵誓苤庇^地反映材料的致密程度,也能反映其耐磨性。孔隙率高,耐磨性一般下降。但由于不同大小的孔隙對耐磨性的影響不同,孔隙率與耐磨性之間的關系比較復雜,因此它的影響程度取30%。由于試驗指標有兩個,各指標之間存在一定的矛盾,不能同時兼顧兩個指標

15、,因此本文采用了綜合評分法,將兩個指標綜合為單一指標,然后優(yōu)選出生產條件。由于硬度和孔隙率的單位不同,且數(shù)值相差很大,因此在綜合評分前分別對硬度值和孔隙率值進行處理,分別轉換成0100之間的數(shù)值。具體轉換如下:X c=X-MinMax-Min100(1式中:X c-轉換后的指標值;X-測試指標值;Min-測試值中最小值;Max-測試值中最大值。測試指標值的綜合評分結果見表1所列。綜合35第6期楊洋等:電鍍金剛石鉆頭胎體性能與電鍍工藝的關系研究評分分析結果見表2所列。表1試驗設計和試驗綜合評分結果因素試驗A硫酸鈷(g/LB硫酸鎳(g/LCpH值E電流密度(A/dm2試驗指標硬度(HV011孔隙率

16、(點/c m2綜合評分1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 161(101112(152223(203334(254441(1902(2203(2504(2801234123412341(3152(4103(4154(5102143341243211(0192(1173(2164(3154321214334126212601764126314681770164114681386161001077110106515821075168212561741181014221428145812681747181314100100102019131444188211415

17、2618301041183713391631138143315561640105410-6134118441028135612表2綜合評分分析結果因素試驗號A硫酸鈷(g/LB硫酸鎳(g/LCp H值D電流密度(A/dm2K113613164181681912816K21131414519911615112K314413132151751910912K417013121111271917513k13411411242123212k22814361522193718k336113311442713k442163013324318R1412101921111615為了直觀起見,用因素的水平作橫坐標,

18、綜合指標作縱坐標,畫出綜合評分與各因素水平間的關系圖,如圖1所示。極差R的大小反映了試驗中各因素作用的大小。極差大表明該因素對指標的影響大,通常為主要因素;極差小表明該因素對指標的影響小,通常為次要因素。由極差R的大小可知,本研究中各因素的主次順序為(從主到次:C y D y A y B,即鍍液pH值y 電流密度y硫酸鈷濃度y硫酸鎳濃度。從直觀分析來看,第九號試驗分值最高,耐磨性最好,其最優(yōu)水平組合是A3B1C3D2;第十二號試驗分值最低,最不耐磨,其水平組合是A3B4C2D3。根據(jù)正交設計的均勻可比性質,通圖1綜合評分與各因素水平間關系常各因素的最好的水平組合在一起就是最好的生產條件。本研究

19、中,對應于最高綜合分值的各因素的水平分別是:硫酸鈷的第四水平,硫酸鎳的第一水平,pH值的第三水平和電流密度的第四水平。因此本試驗計算的最耐磨水平組合是A4B1C3D4。同樣的,可知最不耐磨的水平組合是A2B4C2D3。因此對于研磨性強的地層,推薦選用A4B1C3D4組合;對于研磨性弱的地層,推薦選用A2B4C2D3。4結論本論文對影響電鍍金剛石鉆頭性能的鍍液成分和電鍍工藝參數(shù)作了一次有意義的優(yōu)化試驗研究,基本摸清了電鍍液成分和電鍍參數(shù)對鍍層性能的影響關系。根據(jù)研究結果,可以組合不同的電鍍液配方和相應的電鍍工藝,生產金剛石鉆頭,適應不同巖層的要求,獲得好的鉆進效果。需要繼續(xù)深入研究的地方:(1對