CN105835237A - 一种电镀金刚石钻头及其制备方法 - Google Patents

一种电镀金刚石钻头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电镀金刚石钻头及其制备方法，该金刚石钻头壁厚为0.4～0.6mm，工作层高度为2.6～3.2mm，金刚石粒度为50/60～70/80目，浓度为160～200％；其制法为采用钻头基体作为电镀阴极，金属板作为电镀阳极，其次，向电镀槽中加入硫酸钴、硫酸镍及氯化钠，配制成电镀液，最后，调节电镀液的温度、pH值及电流密度，制得所需的电镀金刚石钻头。优点为制备的金刚石钻头不仅表面细致、含有的杂质少，且其具有高耐磨性及高工作寿命，采用其加工碳化硅陶瓷时，提高了加工效率和加工质量；同时，本发明的制备方法简单，可操作性强，效率高。

Description

一种电镀金刚石钻头及其制备方法
技术领域
本发明属于钻头领域，尤其涉及一种电镀金刚石钻头及其制备方法。
背景技术
由于科学技术的发展，特别是能源、空间技术的高度发展，经常要求材料必须有耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优越性能，才能在比较苛刻的工作环境中使用。碳化硅陶瓷是近二十几年才开始发展的新材料，但由于其具有特别优良的高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温性能，很快得到了开发应用，大量应用于石油化工、冶金机械、航空航天、微电子、汽车、钢铁等领域，并日益显示出其他特种陶瓷所无法比拟的优点。因此，其已在许多领域大显身手，并日益受到人们的重视。例如，碳化硅陶瓷在石油化学工业中已被广泛地用作各种耐腐蚀用容器及管道,在机械工业中已被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件,在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机部件的最有希望的候选材料。
随着碳化硅陶瓷的广泛使用，人们对碳化硅陶瓷的加工质量要求也越来越高，传统的机械加工方法具有加工成本低、设备简单、工序简易等优点，特别是对成型后的碳化硅陶瓷产品进行装配时，可以进行现场加工，省去了大量的人力及时间。目前，用于加工碳化硅陶瓷主要使用烧结金刚石钻头、钎焊金刚石钻头以及电镀金刚石钻头。烧结金刚石钻头的胎体与金刚石磨粒两者的磨损速度难以保持同一性，易出现钻头钝化、打滑现象，加工后的碳化硅陶瓷表面质量较差，钎焊金刚石钻头的金刚石颗粒出刃高，磨损较快，工具自身的使用寿命短，而电镀金刚石由于具有加工质量好及工具寿命长等优点，使用较广泛，但由于碳化硅陶瓷硬度高，耐磨性强，使用目前市面上普遍性的电镀金刚石钻头加工效率低，加工质量差，电镀金刚石钻头自身的工作寿命也较短。
因此，针对碳化硅陶瓷研制性能优异的电镀金刚石钻头及制作工艺，具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种高硬度、强耐磨性及高加工效率的电镀金刚石钻头；本发明的第二目的是提供该金刚石钻头的制备方法。
技术方案：本发明的电镀金刚石钻头，其壁厚为0.4～0.6mm，工作层高度为2.6～3.2mm，金刚石粒度为50/60～70/80目，金刚石浓度为160～200％。
本发明通过设定金刚石钻头的壁厚及工作层高度，从而在加工时提高了其力学性能及稳定性；通过设定金刚石的粒度及浓度，提高了钻头的加工性能及加工效率；优选的，该金刚石钻头壁厚为0.48～0.54mm，工作层高度为2.8～3.0mm，金刚石浓度为180～196％。
本发明制备电镀金刚石钻头的方法包括如下步骤：首先，采用钻头基体作为电镀阴极，金属板作为电镀阳极，其次，向电镀槽中加入硫酸钴、硫酸镍及氯化钠，配制成电镀液，其中，该电镀液中硫酸钴的质量浓度为22～29g/L、硫酸镍的质量浓度为185～205g/L、氯化钠的质量浓度为11～17g/L，最后，调节电镀液的温度为46～52℃、pH值为4.3～4.8及电流密度为3.2～3.7A/dm2，根据制作要求，先对基体进行空镀，以便金刚石更好地附着上，然后进行上砂镀使金刚石初步粘附在基体上，并进行加厚镀，使金刚石进一步被镀层包裹，最后获得所需的电镀金刚石钻头。
本发明采用镍-钴电镀溶液，且通过设定硫酸钴、硫酸镍及氯化钠的浓度、镀液的温度、pH值及电流密度，使胎体对金刚石具有良好的结合力，且增强了胎体的力学性能，使得电镀金刚石钻头具有高耐磨性，优选的，电镀液中硫酸钴的质量浓度可为24～27g/L、硫酸镍的质量浓度可为192～198g/L、氯化钠的质量浓度可为13～16g/L，金属板采用金属镍板，电镀液的温度可为48～51℃，pH值为4.4～4.6及电流密度为3.4～3.6A/dm2。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：制备的电镀金刚石钻头不仅表面细致、含有的杂质少，且其具有高耐磨性及高工作寿命，采用其加工碳化硅陶瓷时，提高了加工效率和加工质量；同时，本发明的制备方法简单，可操作性强，效率高。
附图说明
图1为实施例1制备的电镀金刚石钻头的端面磨损图；
图2为实施例1制备的电镀金刚石钻头的侧壁磨损图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明中金刚石浓度采用400％浓度制，即金刚石浓度为100％时镀层中金刚石体积浓度为25％。
实施例1
制备的电镀金刚石钻头的壁厚为0.4mm，工作层高度为2.6mm，金刚石粒度为50/60，金刚石浓度为200％。
制作方法：首先，选择合适的钢材，制成符合要求的基体，并对基体进行前处理，主要包括化学除油、酸洗及活化三个步骤，除去钻头钢体上的油污和铁锈，然后将其设置为电镀阴极，在电镀槽中加入硫酸钴、硫酸镍、氯化钠，配制成电镀液，该电镀液中硫酸钴的质量浓度为22g/L、硫酸镍的质量浓度为185g/L、氯化钠的质量浓度为11g/L，调节电镀液的温度为46℃，加入硼酸，调节其pH值为4.3，电流密度为3.2A/dm2，根据制作要求，先对基体进行空镀，以便金刚石更好地附着上，然后进行上砂镀使金刚石初步粘附在基体上，并进行加厚镀，使金刚石进一步被镀层包裹，最后获得所需的电镀金刚石钻头。
从图1中可以看出，电镀金刚石钻头的金刚石存在着完整晶形、局部微破碎、大面积及整体破碎以及脱落坑等情况，属于电镀金刚石钻头加工过程中出现的正常磨损现象。电镀金刚石工具很难观察到金刚石的磨平状态，这是因为电镀金刚石钻头的壁厚较薄，在一定进给压力下，端面单颗金刚石承受的载荷很大，切入材料较深，加上切削区冷却条件较好，很少发生金刚石表面的氧化和石墨化，从而导致金刚石发生磨平磨钝的情况很少，而发生局部微破碎的情况较多，由此可知制备的电镀金刚石钻头的加工性能优异，能够加工硬度高、耐磨性强的碳化硅陶瓷；此外，由于电镀金属结合剂对金刚石的包埋深度较深，金刚石出露高度小，钻头侧壁金刚石虽不承受进给载荷，但会承受较多的冲击载荷，从而造成侧壁金刚石出现微破碎的情况较多，如图2所示，而这些特征都是加工过程中出现的正常现象。因此，由图1及图2可知制备的电镀金刚石钻头的加工性能优异，其镀层表面出现的气孔数少、表面平整，且其加工质量及加工效率高。
实施例2
本发明制备的电镀金刚石钻头的壁厚为0.6mm，工作层高度为3.2mm，金刚石粒度为70/80，金刚石浓度为160％。
制作方法：首先，选择合适的钢材，制成符合要求的基体，并对基体进行前处理，主要包括化学除油、酸洗及活化三个步骤，除去钻头钢体上的油污和铁锈，然后将其设置为电镀阴极，在电镀槽中加入硫酸钴、硫酸镍、氯化钠，配制成电镀液，该电镀液中硫酸钴的质量浓度为29g/L、硫酸镍质量浓度为205g/L、氯化钠的质量浓度为17g/L，调节电镀液的温度为52℃，加入硼酸，调节其pH值为4.8，电流密度为3.7A/dm2，根据制作要求，先对基体进行空镀，以便金刚石更好地附着上，然后进行上砂镀使金刚石初步粘附在基体上，并进行加厚镀，使金刚石进一步被镀层包裹，最后获得所需的电镀金刚石钻头。
本发明制备的电镀金刚石钻头镀层含有的杂质少，表面细致，耐磨性强，工作寿命长。
实施例3
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于金刚石的壁厚，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表1所示。
表1金刚石钻头性能对照表
由表1可知，金刚石钻头壁厚不同，其所制得的电镀金刚石钻头的性能存在差异。采用本发明设定的壁厚，即0.4～0.6mm，制得的电镀金刚石钻头的稳定性强，且其加工质量及工作寿命明显提高，其中以壁厚为0.48～0.54mm制得的电镀金刚石钻头的综合性能最佳。这是由于钻头壁厚较小时，其稳定性较差，也会影响加工质量使其相应降低，工作寿命一般较短；但当钻头壁厚较大时，其稳定性反而容易降低，加工质量降低，壁厚较大虽然有助于延长工作寿命，但由于加工的不稳定性，工作寿命还是会相应降低些。
实施例4
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于金刚石的工作层的高度，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表2所示。
表2金刚石钻头性能对照表
由表2可知，金刚石钻头的工作层高度不同，制得的电镀金刚石钻头的性能存在差异。采用本发明设定的工作层高度，即2.6～3.2mm，制得的电镀金刚石钻头的稳定性强，且其加工质量及工作寿命明显提高，其中以工作层高度为2.8～3.0mm制得的电镀金刚石钻头的综合性能最佳。这是由于工作层高度较低，钻头工作时稳定性较好，对工件的加工质量也会相应较好，但由于钻头的磨损，工作层高度较小时其工作寿命也会相应较小；而工作层高度较高时，钻头的稳定性和加工质量将会降低，虽然工作层高度较高，但由于加工的不稳定性，钻头的工作寿命也会降低。
实施例5
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于金刚石的浓度，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表3所示。
表3金刚石钻头性能对照表
由表3可知，金刚石浓度不同，制得的钻头的性能存在差异。采用本发明设定的金刚石浓度，即160％～200％，制得的电镀金刚石钻头的加工效率及加工质量明显提高，其中以金刚石浓度为180％～196％制得的电镀金刚石钻头的综合性能最佳。这是由于较低的金刚石浓度，钻头工作时参与工作的金刚石颗粒较少，加工效率较低，加工质量也会相应较差；而当金刚石浓度较高时，虽然参与工作的金刚石颗粒较多，但金刚石与胎体成分间的结合能力较弱，胎体磨损太快，反而会影响钻头的加工效率和加工质量。
实施例6
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于电镀液中硫酸钴的质量浓度，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表4所示。
表4金刚石钻头性能对照表
由表4可知，电镀液中硫酸钴的质量浓度不同，制得的电镀金刚石钻头的性能存在差异。采用本发明设定的硫酸钴的质量浓度，即22～29g/L，制得的电镀金刚石钻头的力学性能强，且加工效率明显提高，其中以硫酸钴的质量浓度为24～27g/L制得的电镀金刚石钻头的综合性能最佳。这是由于适量钴可以提高胎体的抗弯强度，有利于增强力学性能，提高加工效率；而过量的钴容易降低与金刚石的结合力，反而不利于电镀金刚石钻头的力学性能及加工效率。
实施例7
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于电镀液中硫酸镍的质量浓度，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表5所示。
表5金刚石钻头性能对照表
由表5可知，电镀液中硫酸镍的质量浓度不同，制得的电镀金刚石钻头的性能存在差异。采用本发明设定的硫酸镍的质量浓度，即185～205g/L，制得的电镀金刚石钻头的力学性能强，其加工效率明显提高，其中以硫酸镍的质量浓度为192～198g/L制得的电镀金刚石钻头的综合性能最佳。这主要是由于适量的镍有助于提高胎体的耐磨性，力学性能好，加工效率高；而过量的镍容易使胎体的磨损速度低于金刚石的磨损速度，使金刚石不能及时出露，从而影响钻头的力学性能和加工效率。
实施例8
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于电镀液中氯化钠的质量浓度，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表6所示。
表6金刚石钻头性能对照表
由表6可知，电镀液中氯化钠的质量浓度不同，制得的电镀金刚石钻头的性能存在差异。采用本发明设定的氯化钠的质量浓度，即11～17g/L，制得的电镀金刚石钻头的力学性能强，且加工效率明显提高，其中以氯化钠的质量浓度为13～16g/L制得的电镀金刚石钻头的综合性能最佳。这主要是由于适量的氯化钠作为阳极活化剂，可以防止阳极钝化，使阳极在电镀过程中正常溶解，同时有助于提高电镀液的导电性，提高电镀的能力，避免漏镀，力学性能好，加工效率高；而过量的氯化钠反而会影响电镀的能力，使得力学性能变差，加工效率降低。
实施例9
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于电镀液的温度不同，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表7所示。
表7金刚石钻头性能对照表
由表7可知，将电镀液温度调节为46～52℃所制得的电镀金刚石钻头，能够减小镀层表面出现的气孔数及脆性，从而提高钻头的力学性能及稳定性，且生产周期较短，工作寿命明显提高，其中，以电镀液温度为48～51℃制得的金刚石钻头的综合性能最佳，这是由于在电镀工程中，虽然较低的温度能够使得结晶较细，钻头生长平整，但是钻头的制作周期较长；而较高的温度能够提高均镀能力，使得镀层细致平整，增强与钢体的结合力，减小掉块的几率，同时能够提高溶质的溶解性及镀液的导电性，减少镀层的含氢量，缩短钻头的生产周期，但温度过高也易使盐类水解为氢氧化合物，使镀层产生气孔，降低钻头的性能。
实施例10
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于调电镀液的pH值不同，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表8所示。
表8金刚石钻头性能对照表
由表8可知，将电镀液中的pH值调节为4.3～4.8，能够减少镀层中的杂质，使镀层获得细致平整的表面，从而提高钻头的加工性能及稳定性，增加其工作寿命，其中，以pH值为4.4～4.6制得的钻头的综合性能最佳，这是由于虽然较低的pH值能够避免电镀层烧焦，导电性也较好，还能够降低镀层上气孔的出现率，但容易使低电流区发生漏镀现象；而较高的pH值容易产生氢氧化物沉淀，夹杂在镀层中使胎体发脆，使得钻头的耐磨性降低，同时易使得高电流区镀层发生烧焦等不良现象。
实施例11
设计7组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于电镀液的电流密度，分别将制得的金刚石钻头进行性能检测，获得的实验结果如表9所示。
表9金刚石钻头性能对照表
由表9可知，将电镀液中的电流密度调节为3.2～3.7A/dm2，能够提高镀层的平整性及电镀速度，且使金刚石均匀分布在被镀表面与镀层牢固结合，从而提高钻头的力学性能及稳定性，增加其工作寿命，其中，以电流密度为3.4～3.6A/dm2制得的金刚石钻头的综合性能最佳，这是由于电流密度与镀液成分及浓度、温度和pH值密切相关，虽然较高的电流密度能够提高镀层的平整性及电镀的速度，生产周期较短，但是易使镀层烧焦、粗糙，与钢体的结合力也较弱；而较低的电流虽然能够使金刚石均匀分布在被镀表面与镀层牢固结合,但较低的电流密度易使电流区难以镀覆，生产效率低。

Claims (10)

1.一种电镀金刚石钻头，其特征在于：该金刚石钻头壁厚为0.4～0.6mm，工作层高度为2.6～3.2mm，金刚石粒度为50/60～70/80目，其金刚石浓度为160～200％。
2.根据权利要求1所述的电镀金刚石钻头，其特征在于：所述金刚石钻头壁厚为0.48～0.54mm。
3.根据权利要求1所述的电镀金刚石钻头，其特征在于：所述金刚石钻头工作层高度为2.8～3.0mm。
4.根据权利要求1所述的电镀金刚石钻头，其特征在于：所述金刚石浓度为180～196％。
5.一种制备权利要求1所述的电镀金刚石钻头的方法，其特征在于包括如下步骤：首先，采用钻头基体作为电镀阴极，金属板作为电镀阳极，其次，向电镀槽中加入硫酸钴、硫酸镍及氯化钠，配制成电镀液，其中，该电镀液中硫酸钴的质量浓度为22～29g/L、硫酸镍的质量浓度为185～205g/L、氯化钠的质量浓度为11～17g/L，最后，调节电镀液的温度为46～52℃、pH值为4.3～4.8及电流密度为3.2～3.7A/dm2，先对基体进行空镀，以便金刚石更好地附着上，然后进行上砂镀使金刚石初步粘附在基体上，并进行加厚镀，使金刚石进一步被镀层包裹，最后获得所需的电镀金刚石钻头。
6.根据权利要求5所述的制备电镀金刚石钻头的方法，其特征在于：所述电镀液中硫酸钴的质量浓度为24～27g/L、硫酸镍的质量浓度为192～198g/L、氯化钠的质量浓度为13～16g/L。
7.根据权利要求5所述的制备电镀金刚石钻头的方法，其特征在于：所述金属板为金属镍板。
8.根据权利要求5所述的制备电镀金刚石钻头的方法，其特征在于：调节所述电镀液的温度为48～51℃。
9.根据权利要求5所述的制备电镀金刚石钻头的方法，其特征在于：调节所述电镀液的pH值为4.4～4.6。
10.根据权利要求5所述的制备电镀金刚石钻头的方法，其特征在于：调节所述电镀液的电流密度为3.4～3.6A/dm2。
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