（环境科学专业论文）复合电镀薄壁金刚石钻头工艺优化研究.pdf

at h e s i si ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e s t u d yo np r o c e s so p t i m i z a t i o no f t h i n - - w a l l d i a m o n dd r i l lb yc o m p o s i t ep l a t i n g b y j iy i n c h u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a n gz h o n g d o n g n o r t e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y 2 0 0 8 严一! r卜、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 侧吝 泓。7 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 薹墨嚣者躲 蚋岌主霉菩翥彬七辩醐。 岬lr t - 。7 彰抖醐五曩 ， f 东北大学硕士学位论文 摘要 复合电镀薄壁金刚石钻头工艺优化研究 摘要 关于薄壁金刚石钻头钻削过程的同步纵向磨损规律目前鲜见报道，经过理论 分析和实际钻削表明，越是符合同步纵向磨损规律其钻头寿命越长。 本文采用复合电镀的方法制作了薄壁金刚石钻头。首先通过正交试验讨论了 电流密度、p h 值、温度、埋砂时间、添加剂等5 个因素对工艺的影响，采用极差 分析法得出5 个因素的最佳水平值。然后以5 个最佳水平值为基础，深入研究了 埋砂次数、阳极板分布、基体壁厚等3 个因素对复合镀层性能的影响。以实际钻 孔评价不同工艺条件下钻头的寿命，对比分析了钻孔前后复合镀层的磨损形貌； 使用千分尺测量基体与复合镀层的同步纵向磨损量；用金相显微镜观察钻头侧刃 镀层的表面形貌；用扫描电镜观察复合镀层断面组成、表面形貌和结构。 复合镀层的形貌、结构、耐磨性与埋砂时间有较大关系。埋砂时间过长或者 过短均会降低复合镀层的性能；埋砂次数及基体壁厚对同步纵向磨损影响较大， 随着埋砂次数的增加，钻头寿命明显增加，同步纵向磨损量增大；随着基体壁厚 的增加，钻头寿命呈现出先增加后减少的规律，同步纵向磨损量也表现出先增大 后减小的趋势。在一定的工艺条件下，同步纵向磨损是可能的，钻头寿命的提升 可以实现。复合电镀工艺可以得到一定程度上的优化和改善。 关键词：复合电镀；同步纵向磨损；胎体；底刃；极差分析； 、 i f 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o np r o c e s so p t i m i z a t i o no ft h i n - - w a l l d i a m o n dd r i l lb yc o m p o s i t ep l a t i n g a b s t r a c t s y n c h r o n o u s a n dv e r t i c a la b r a s i o ni nt h e t e c h n o l o g yo fd i a m o n d d r i l li s i n f r e q u e n t l yr e p o r t e d ，a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da c t u a ld r i l l i n g ，ac o n c l u s i o nc a n b ed e s c r i b e d ：t h em o r ei nt h es y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a la b r a s i o n ，t h eb e t t e r p e r f o r m a n c eo ft h ed i a m o n d d r i l l t h ea r t i c l eu s e dt h em e t h o do fc o m p o s i t ep l a t i n gt op r o d u c tt h i n w a l l e dd i a m o n d d r i l l a f t e ro r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h i sa r t i c l ed i s c u s st h ei m p a c tf a c t o r so fc o m p o s i t e p l a t i n gt e c h n o l o g y , t h ef a c t o r si n c l u d ec u r r e n td e n s i t y 、t e m p e r a t u r e 、p hv a l u e 、t i m e s o fe m b e d d i n g 、a d d i t i v e u s ea n a l y s i so fp o l a r i z a t i o nt og e tt h eb e s tl e v e lo ff i v e f a c t o r s b a s e do nt h eb e s tl e v e lo ff i v ef a c t o r s ，t h ef o l l o wa r t i c l ed i s c u s st h et h r e e o t h e rf a c t o r sa b o u tn u m b e r so fe m b e d d i n g 、a r r a n g e m e n to fa n o d ep l a t e s 、w a l l t h i c k n e s so f m a t r i x u s e dt h em a i nw a yo fb r o a c ht oe v a l u a t et h ed i f f e r e n tp r o c e s s e s c o m p a r e dt h ec o m p o s i t ep l a t i n gw i t hc a m e r a ；u s e dt h em i c r o m e t e rt ot e s tt h el e n g t h o fs y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a la b r a s i o n ；u s i n gm e t a l l u r g i c a lm i c r o s c o p et oo b s e r v et h e s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t ep l a t i n g ；u s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p et oo b s e r v et h e v e r t i c a ls u r f a c eo ft h ec o m p o s i t ep l a t i n g t h e r ea r es o m er e l a t i o n s h i pa b o u tm o r p h o l o g y 、s t r u c t u r ea n dw e a rr e s i s t a n c eo f t h ec o m p o s i t ep l a t i n g t o ol o n go rs h o r to fb u r y i n gt i m ec o u l db ed e c r e a s et h e p e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t ec o a t i n g t w of a c t o r sa b o u tn u m b e r so fe m b e d d i n ga n d t h i c k n e s so fm a t r i xa r ea l lm o r ei m p o r t a n tt h a no t h e rf a c t o r si ns y n c h r o n o u sa n d v e r t i c a la b r a s i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go fn u m b e r so fe m b e d d i n g ，t h el i f eo ft h e d i a m o n dd r i l li si n c r e a s e d ，a n dt h eq u a n t i t a t i v eo ft h es y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a l a b r a s i o nm a k e st h es a m ec h a n g e ；w i t ht h ei n c r e a s i n go fw a l lt h i c k n e s so fm a t r i x ，t h e l i f eo ft h ed i a m o n dd r i l li n c r e a s e df i r s t ，a n dr e d u c e dl e t t e r ，a n dt h eq u a n t i t a t i v eo ft h e s y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a la b r a s i o nm a k e st h es a m ec h a n g e ac o n c l u s i o nc a nb ef o u n d ： u n d e rs p e c i f i cc o n t r o l l i n g ，s y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a la b r a s i o nc a nb ef o u n d ，a n dt h e 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i f eo fd i a m o n dd r i l lc a nb ee x t e n d e d t h et e c h n o l o g yo fc o m p o s i t ep l a t i n gc a nb e i m p r o v e da n do p t i m i z e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t ep l a t i n g ；s y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a la b r a s i o n ；m a t r i x ； b o t t o mb l a d e ；r a n g ea n a l y s i s ： i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 金刚石工具l 1 2 1 金刚石工具的分类1 1 2 2 复合电镀金刚石工具2 1 3 复合电镀法制作金刚石钻头的特点2 1 4 有关复合电镀金刚石钻头理论基础3 1 4 1 合金电镀3 1 4 2 复合电镀3 1 5 某品牌薄壁金刚石钻头钻孔分析4 1 6 薄壁型金刚石钻头磨损机理7 1 7 本文的研究内容及意义8 1 8 本文的新观点9 第2 章影响薄壁金刚石钻头工艺因素分析1 0 2 1 基体材料、胎体及金刚石颗粒选择1 0 2 1 1 基体材料及形状1 0 2 1 2 胎体成分1 1 2 1 3 金刚石颗粒材料1 2 2 2 复合电镀工艺条件13 2 2 1 阴极电流密度一13 2 2 2 镀液温度l4 2 2 3p h 值1 4 2 2 4 添加剂 14 2 2 5 复合电镀工艺时间控制1 5 2 2 6 其它因素的影响15 第3 章薄壁金刚石钻头制作工艺试验1 7 3 1 实验设备及材料1 7 i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 复合电镀前处理18 3 2 1 金刚石微粒镀前处理1 8 3 2 2 钻头基体的前处理1 9 3 3 镀液的组成及配制一2 0 3 3 1 埋砂镀液的组成一2 0 3 3 2 装饰性亮镍镀液的组成2 0 3 4 复合电镀工艺流程图2 0 3 5 正交试验结果的评定手段2 1 3 5 1 钻孔试验2 1 3 5 2 镀层表面质量评价及微观形貌的观察。2 2 3 5 3 扫描电镜下胎体组成分析一2 2 3 5 4 数理统计2 2 3 6 正交试验设计2 3 3 6 1 正交表格数据设置2 3 3 6 2 正交表格与结果2 4 3 7 正交试验结果数理统计与分析2 5 3 7 1 局研的计算2 5 3 7 2b 朋及尺，的计算2 6 3 7 3 各个因素水平与p ，肼关系走势图2 6 3 7 4 最优组合分析2 9 3 8 极差分析3 0 3 9 报废后表面形貌3 0 3 9 1 报废后肉眼观察表面形貌3 0 3 9 2 复合镀层金相显微表观形貌分析3 l 3 8 扫描电镜下胎体组成分析3 4 3 8 1 能谱分析图3 4 3 8 2 胎体组成分析结果3 4 3 9 本章小结3 5 第4 章薄壁金刚石钻头制作工艺优化研究_ 3 6 4 1 平行试验评价方法3 6 4 2 平行试验设计3 6 4 2 1 埋砂次数3 6 4 2 2 阳极板排布一3 7 i 一 东北大学硕士学位论文目录 4 2 3 基体壁厚3 7 4 3 平行试验结果分析与讨论3 7 4 3 1 埋砂次数的结果分析3 7 4 3 2 阳极板排布结果分析4 0 4 3 3 基体类型结果分析4 0 4 4 同步纵向磨损量化分析4 2 4 5 金相显微形貌观察4 4 4 5 1 侧刃金相显微形貌观察4 4 4 5 2 断面金相显微形貌观察4 4 4 6 断面扫描电镜观察4 5 4 6 1 未经打磨断面结构4 5 4 6 2 打磨过后断面结构4 6 4 7 本章小结4 7 第5 章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 3 i l l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 早在l8 8 3 年就出现了以天然金刚石为磨料，用金属粉末作为结合剂制成的磨 具。18 8 5 年法国人用粗颗粒天然金刚石作为锯齿，装镶在基体周边上制成世界上 第一片金刚石锯片。2 0 世纪3 0 年代德国人取得了第一个电镀金刚石牙医钻头的 专利。随着人造金刚石产量和质量的提高，金刚石工具也得到了前所未有的发展。 特别是进入经济高速发展的2 l 世纪，一些硬脆材料的加工要求量日益剧增。例如 玻璃、陶瓷、宝石、大理石、玛瑙等硬脆性材料的加工，必须使用金刚石工具这 类高性能切削工具。2 0 世纪9 0 年代中期统计表明，仪仪用于石材类切削的金刚 石就占到金刚石总产量的6 0 。 在石油钻探行业，采用聚晶金刚石制造的石油钻头得到广泛推广，2 0 世纪9 0 年代以来，全世界地质钻头行业和石油钻头行业中，金刚石钻头工作量占到7 0 以上；在机械加工行业，采用复合电镀法制造的金刚石磨具是磨削硬质合金的特 效工具，可以用来磨削硬质合金量具、模具、夹具及其他硬质合金工件。加工出 来的产品精度高，不需经过后续抛光工序。效率也是其他磨具所不及的。比普通 砂轮的磨削效率提高l o 倍以上；在建筑、建材行业，金刚石工具普遍用于天然大 理石、花岗岩、水磨石、瓷砖、混凝土等建筑材料加工。飞机跑道、高速公路防 滑槽、混凝土路面、沥青路面伸缩缝、混凝土墙板等也离不开金刚石工具。同时， 复合电镀法制造的金刚石扩孔器、金刚石薄壁钻头等也都在玻璃、玉器行业得到 非常广泛的应用。 1 2 金刚石工具 1 2 1 金刚石工具的分类 金刚石工具按照结合剂不同可以划分为：金属结合剂( 粉末冶金法) 金刚石 工具、电镀结合剂金刚石工具、树脂结合剂金刚石工具、陶瓷结合剂金刚石工具。 其中产量最大的是使用粉末冶金法制造的金属结合剂金刚石工具，它以压制、烧 结而成，质量较低但生产效率高。其次是复合电镀金刚石工具。该工具具有使用 效率高、寿命长、磨削精度高的特点。特别是对于一些小型精细金刚石工具，目 前都是采用复合电镀法制得。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 复合电镀金刚石工具 复合电镀金刚石工具是指通过金属电沉积的方法，将金刚石镶嵌在具有特定 形状的钢基体上制作而成的一类金刚石工具，广泛应用于机械、电子、玻璃、建 材、石油钻探等行业。采用电镀方法代替传统的压铸烧结法，不仪投资少、成本 低，而且避免了金刚石的氧化，保证了金刚石的硬度和锋利性。 随着经济的发展，科学技术的进步，电镀金刚石工具的应用范围在不断拓展。 不同的行业，对电镀金刚石工具的要求相同，即较高的加工效率及尽可能长的使 用寿命。金刚石工具的性能在很大程度上取决于包镶金刚石的基质性能。基质金 属( 胎体) 的作用，一方面是固定并机械包镶金刚石，另一方面是使金刚石能适 时适量地出露或自锐。要保证这两点，镀层金属不仅要有较高的硬度、耐磨性， 而且胎体金属与钢基体的结合力必须良好，以免镀层脱落使工具寿命提前报废。 由此可见，电镀金刚石工具的使用寿命与镀层胎体金属有较大关系。 金刚石晶体共价健的饱和性和方向性，决定了金刚石在物理、化学性质上的 惰性，因此，金刚石工具中，金刚石与金属结合剂的粘结力很小，在使用期间， 金刚石易于碎裂或早期脱落，影响了金刚石工具的使用性能和寿命，这也是当前 迫切需要解决的问题。 1 3 复合电镀法制作金刚石钻头的特点 金刚石钻头采用复合电镀法比粉末冶金法有着许多不可替代的优点： ( 1 )复合电镀法不会使金刚石受到热损害。粉末冶金通常在8 0 0 10 0 0 c 或 更高的温度下烧结。在高温下，将会使金刚石的硬度、强度、耐磨性有所下降。 经测定，在1 4 0 0 ( 2 下将金刚石加热l o s ，其强度下降8 0 ，加热5 s 其强度下降 7 1 ，加热2 s ，其强度下降5 0 。且人造金刚石含有一定数量的铁磁性杂质( 镍、 钴、铁等) 时，只需把这类铁磁性金刚石加热到6 0 0 * ( 2 ，其强度就能明显的下降【l 】。 如果采用复合电镀法，其温度不会超过l0 0 c ，不存在热损耗问题，同时大大延 长工具使用寿命。 ( 2 )复合电镀法制作出来的工具不但精度高，避免了因精度达不到要求而 需要额外修精的步骤，间接提高寿命【2 1 。更不会带来高温引起的模具损耗、烧蚀、 氧化、难控制i 操作危险等问题。 。 ( 3 )复合电镀法使用设备简单，投资少。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 有关复合电镀金刚石钻头理论基础 1 4 1 合金电镀 合金电镀是利用电化学的方法使两种或两种以上的金属共沉积的过程。合金 共沉积所形成的镀层就是合金镀层。合金镀层具有许多单金属镀层不具备的优异 性能，它通常比单金属具有较高的硬度、致密性、耐蚀性、耐磨性、耐高温以及 美丽的外观。因而经常被用来做防护性、耐磨层及其其他功能性镀层【3 】。 本文涉及到的是二元合金的共沉积。二元共沉积需具备两个基本条件： 合金中的两种金属至少有一种能单独从水溶液中电沉积出来。 金属共沉积的基本条件是两种金属的析出电势要十分接近或相等。 例如：镍的标准电极电势为0 2 5 v ，钴的标准电极电势为o 2 7 v ，它们的标准 电极电势很接近，通常可以从它们的简单盐溶液中实现。这里把共沉积体系的析 出电势近似等于金属的标准电极电势。实验证明，镍钴合金体系的共沉积是可行 的【4 7 1 。 1 4 2 复合电镀 复合电镀实质是一种特殊类型的电镀。是指在普通的镀液当中加入不溶性的 固体微粒，并使之在镀液中充分悬浮，或者采取必要的措施将微粒合理地附着于 基体表面，在金属离子阴极还原的同时，将微粒包裹使之进入镀层中。这种夹杂 着固体微粒的特殊镀层就是复合镀层【8 1 。 有关复合共沉积的模型及机理目前较公认的是g u g l i e l m i 两步吸附模型【9 1 。 g u g l i e l m i 提出将吸附与电泳对颗粒的影响结合在一起，提出了两步吸附理论。第 一步，表面带有吸附离子层的颗粒首先弱吸附在阴极表面，此时颗粒表面仍被吸 附离子层所包围，此步是可逆的物理吸附。第二步，部分弱吸附颗粒表面的离子 层被还原，颗粒与阴极发生强吸附，此步为不可逆的过程，其中只有一小部分可 以不可逆的转化为强吸附。因为弱吸附转化为强吸附需要穿过一位垒，该位垒跟 电极与溶液界面间的电场有关。因此，可以认为，共沉积还与电场有关。此时， 颗粒被认为永久进入了阴极表面，之后被沉积的金属埋入。其数学模型基本方程 式为： 半= 丽w i o 删叩防c v ， 口，刀f 岛圪lkj 一“7 a ：c t f( 1 2 ) 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 式中，c ，为复合镀液中微粒的浓度，用体积分数表示；q ，为共沉积量；f 为 法拉第参数；形、成分别为镀层金属的原子量和密度；刀为复合镀层金属离子获 得电子的数目；i 为交换电流密度；印为阴极过电位；为微粒和电极间相互作用o k 强度有关的平衡常数；v 、 、 均为常数。o ba 式1 1 为g u g l i e l m i 得出的两步吸附机理基本方程式。它能将镀层中的微粒含 量、镀液中微粒浓度以及阴极过电位联系在一起。能够反映出微粒与金属共沉积 的基本面貌。两步吸附模型已经在多种不同的体系的实验当中被证实。它对n i 一 金刚石【10 1 、c u a 1 2 0 3 【1 1 1 、a u s i c 和a u w c 【1 2 】等复合镀层的电沉积都能适用。 上文提到合金电镀与复合电镀两个概念，本文的复合电镀体系是镍钻一金刚石 复合体系，确切的说，基质金属镍钴的共沉积隶属于合金电镀范畴，是镍钴二元 合金电镀。而金刚石颗粒与镍钴金属的共沉积隶属于复合电镀。他们之间紧密联 系。本文的复合电镀沉积体系是在合金电镀体系的基础上实现的。 复合电镀有两种实现方法，一是使固体微粒在镀液充分悬浮，被阴极还原金 属包裹。该种方法对固体微粒要求粒径较小，一般要小于6 0 9 m 。整个过程需要 不断搅拌。另一种是使固体微粒均匀分布在基体表面，在基质金属被还原的同时 一起共沉积。即埋砂法。整个过程不需要进行搅拌。该种方法使用的粒径在6 0 5 0 0 p m 之间。本文所要探讨的薄壁金刚石钻头所用的微粒粒径介于6 0 - - - 5 0 0 9 m ， 宜使用埋砂法【_ 引。 1 5 某品牌薄壁金刚石钻头钻孑l 分析 本文通过深入市场调查，综合比较多个品牌薄壁金刚石钻头，结合有关薄壁 金刚石钻头的研究报告d 5 - 2 0 】，对钻头进行实际钻削，得出目前薄壁金刚石钻头的 几个简要分析： ( 1 ) 薄壁型金刚钻多采用一次上砂法。 采用浓硝酸进行不定时溶解观察法，对钻头进行溶解试验。方法是：将钻头 浸泡浓硝酸中，时间控制在5 秒以内，进行清洗，观察。重复进行该步骤。并使 用千分尺测量钻头直径在溶解前后的缩尺量。据此推测市面金刚钻的埋砂次数。 ( 2 ) 复合镀层( 上砂层) 表面不均匀，毛刺现象明显，镀层表面金刚石裸露 程度不一。多表现为完全包裹。图1 1 为随机抽取市面上的金刚钻。 4 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 金刚钻复合镀层表面包裹形态图 f i g 1 1e m b e d d e dc o n f i g u r a t i o no fc o a t i n gs u r f a c ea td i a m o n dd r i l l ( 3 ) 基体壁厚在o 7 r a m 一1 5 m m 不等。侧部或留有压纹或留有沟槽( 基体顶 端v 字槽) 。 ( 4 ) 底刃只有微量金刚石微粒被包裹。如下图1 2 所示： 图1 2 金刚钻复合镀层底刃表观 f i g 1 2c o a t i n gs u r f a c eo fb o t t o mb l a d ea td i a m o n dd r i l l ( 5 ) 3 种薄壁金刚石钻头实际打孔分析：表1 1 为打孔结果，被钻材料为氧 化铝陶瓷板，厚度o 7 5 c m 。 表1 1 金刚钻打孔结果表 t a b l e1 1p e r f o r a t er e s u l to fd i a m o n dd r i l l s 5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 3 为3 种类型薄壁金刚石钻头报废图片： 3 撑 图1 3三款不同金刚钻报废后表面形态图 f i g 1 3d i a g r a mo fs u r f a c em o r p h o l o g yo nt h r e ed i f f e r e n td i a m o n dd r i l l s 结果分析： l 捍钻头做工粗糙。肉眼观察，表面形态不均匀、结瘤明显、镀层较厚。钻孔 7 个之后报废，镀层消耗明显，但侧部仍留有较厚的镀层，顶端刃部已无金刚石 镀层，基体顶端圆圈部分无磨损，复合镀层未被充分利用，钻头提前报废。复合 镀层不能发挥最大性能。 2 撑钻头做工相对l 撑较精细。肉眼观察，表面形态较均匀，复合镀层较平整、 无结瘤现象、镀层较薄。后期做了装饰性镀层，外观漂亮。钻孔1 2 个之后报废， 镀层磨损比较明显、均匀。但侧刃仍有少量金刚石镀层，顶端刃部没有金刚石镀 层，基体顶端圆圈部分基本无磨损。侧刃往底刃方向呈斜坡型。该复合镀层比l 掸 镀层优越的主要原因是表面形态较均匀、平整，打磨过程掉砂比较不明显。因而 复合镀层的表面形态会在一定程度上影响钻头的质量。该原因可能是由于复合镀 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 层微观结合力的强弱引起鞠，有待于进_ 步研鸯。： 3 群钻头市价最贵，做工最好，复合镀层比l 存和2 撑厚、平整。该复合镀层采用 2 次埋砂法。3 群钻头钻孔17 个后报废。侧刃镀层消耗很明显、均匀，肉眼观察下 只残余微量的金刚砂。底刃已无金刚石复合镀层，基体圆圈部分有明显的磨损。 侧刃往底刃方向基本无坡度。整个复合镀层被较充分的利用。3 撑钻头的磨损规律 有个特点：底刃和侧刃复合镀层的磨损程度较大，同时基体圆圈部分也被磨损。 与1 群和2 群不同的是，复合镀层与基体均被磨损，打孔次数明显增加。 1 6 薄壁型金刚石钻头磨损机理 根据薄壁型金刚石钻头磨损机理前人的研究成果【1 9 2 1 泓1 及实际钻孔结果得 出的几个观点： 第一：薄壁钻头最先从底刃开始磨损，由于底刃包裹的金刚石非常少，符合 磨损机理。 第二：侧刃金刚石层被逐层磨损，而且金刚石出露量在每层金刚石的磨损过 程中随着钻头直径的变小而变小。 第三：金刚石的钻速随钻头唇面上出露的金刚石量而变化，金刚石出露量多， 钻头钻速高，反之亦然。 第四：绝大部分的金刚石并不是被机械磨损而损耗，而是磨削过程产生脱粒 或者破碎脱落，有7 2 4 的金刚石微粒真正起到磨削作用 2 5 - 2 6 】。 第五：金刚石钻头磨损速度随钻速的增加而增加，而且钻速达到一定值后， 钻头磨损速度急剧增加，大大降低钻头寿命27 1 。 根据磨损机理，可得以下几点： ( 1 ) 单层埋砂法制作的薄壁金刚钻寿命普遍较短，都是由于侧壁金刚石微粒 磨损殆尽或脱落而报废，基体金属基本没有损害。 ( 2 ) 多次埋砂法制作的薄壁金刚石钻头寿命较长，最终报废结果与单层上砂 法基本一致。 ( 3 ) 无论是单层或多层上砂法，当刃部的金刚石微粒耗光时，其钻削速度明 显下降，当靠近刃部金刚石也耗尽时，钻头报废。通过观察发现其侧部亦然包裹 大量金刚石，也即说明侧部还具有磨削功能，但是钻头提前报废。图1 4 为钻头 提前报废图片： 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 4 钻头提前报废后表面形态图 f i g 1 4d i a g r a mo fs u r f a c em o r p h o l o g yo fd i a m o n dd r i l l sa f t e rs c r a p 1 7 本文的研究内容及意义 正如前文所阐述的一系列现象和问题，本文旨在找出更好的工艺、选择更佳 的工艺参数，针对目前薄壁型金刚石钻头的制作原理，从而设计制作出性能更加 佳、寿命更长的薄壁金刚石钻头。结合实际生产需要，提出适合实际操作的改进 措施。着重从影响钻头寿命的几个关键工艺或参数入手，解决实际问题。 深入分析和比较前人的研究成果【1 9 ，2 1 2 4 1 ，结合本文的新观点，得出本文要着 重讨论的几个问题： ( 1 ) 针对复合镀层侧部的金刚石微粒脱落问题，本文提出从改进工艺参数入 手，提高胎体与金刚石颗粒结合力，将脱粒的损害减少到最低。 ( 2 ) 针对钻头刃部金刚石微粒含量少导致提前失刃而报废，本文提出从改善 胎体成份入手，从微观上改变复合镀层的晶型结构，强化胎体的耐磨性，延长复 合镀层的寿命。 ( 3 ) 针对打孔过程出现的基体不磨损现象，本文从基体入手，根据磨损机理 全面分析基体在复合镀层磨损过程中的消耗规律，从而从改进基体材料及形状入 手，寻找提高钻头寿命的更佳方案。 ( 4 ) 本文还将对复合电镀薄壁金刚石钻头的工艺过程、工艺参数等作一系列 的研究讨论。对关键的几个参数诸如：电流密度、p h 值、温度、埋砂时间、复合 电镀添加剂、埋砂次数、基体材料类型、阳极板排布等将会着重分析，根据实际 情况先抽取一些因素做正交试验，再选其他因素做平行试验，最终得出最优参数 及其改进措施。 ( 5 ) 本文将以实际应用为出发点，以实际打磨试验评价改进措施的实用性。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 8 本文的新观点厶 。 艄 关于薄壁金刚石钻头的同步纵向磨损机理前人鲜见报道和研究。本文大量分 析了许多薄壁钻头的磨损原理，并通过了大量的实验验证，发现绝大多数的薄壁 钻报废时其底刃处的基体损耗很小，侧壁除了靠近底刃部的区域磨损较大外，其 它侧壁的复合镀层磨损较少，显然侧壁仍然有磨削性能，但是底刃的消失却使钻 头失去钻削能力，如图1 5 模拟了该过程。图中，钻头的磨损过程由1 5 逐步磨 损，在实际打孔中发现，1 与2 阶段打孔顺利进行，复合镀层正常磨损。但是底 刃复合镀层磨损完毕后( 即标号3 ) ，打孔速度明显下降，观察发现，底刃消失， 基体几乎无磨损。标号4 阶段，即使侧刃仍有较多的复合镀层，但钻头已不能进 尺；到阶段5 ，钻头处于完全不进尺状态，复合镀层的损耗并不能带来进尺。因 此，本文分析，造成钻头提前报废的原因是侧刃复合镀层不能及时出刃，而根本 原因是底刃处的基体不能被正常磨损。因而，如果要发挥最大的钻削性能，则需 要最大程度上做到使钻头刃部基体圆圈部分与侧部的金刚石复合镀层达到同步纵 向磨损。这样能保证钻头侧刃及时出刃，充分利用整个钻头的复合镀层，提高使 零 用寿命，图1 6 模拟了同步纵向磨损过程。从打孔过程l 5 可以看出，侧部复合 镀层的磨损与底刃处基体的磨损是同步的，该模式有利于侧刃及时出刃，充分利 。 用侧部的复合镀层，提高钻头使用寿命。根据这一出发点，本文分析了相关影响 ” 因素，对基体材质和形状做了详细分析，埋砂次数带来复合镀层的改变进行研究， 提出改进措施，实现钻头磨削符合同步纵向磨损。 赁 七黑色部分为镀层伫横线部分为底刃处基体 图1 5 钻头常规磨过程示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd r a w i n go fd i a m o n dd r i l la tc o n v e n t i o n a la b r a s i o n 图1 6 钻头同步纵向磨损示意i ! f l f i g 1 6s c h e m a t i cd r a w i n go fd i a m o n dd r i l la ts y n c h r o n o u sa n dv e r t i c a la b r a s i o n - 9 0 东北大学硕士学位论文第2 章影响薄壁金刚石钻头t 艺闪素分析 第2 章影响薄壁金刚石钻头工艺因素分析 2 1 基体材料、胎体及金刚石颗粒选择 2 1 1 基体材料及形状 图2 1 钻头基体示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd r a w i n go fm a t r i xo nd i a m o n dd r i l l 图2 1 所示： 钻体侧部( 侧刃) 绝缘部分 钻体内径 基体底部圆圈部分( 底刃) 钻体与钻机接连处 2 1 1 1 基体材料类型 关于基体材料类型目前罕见报道，学者很少去探究基体材质问题。根据磨损 机理，本文推测，薄壁钻头若要达到前文所论及的同步纵向磨损的效果，基体材 质的选择很关键。 基体如果选择高硬质刚体，则当刃部金刚石被完全磨损后，薄壁钻头即报废。 这是由于基体太硬，在钻削过程当中它并不能正常磨损，导致侧部的金刚石微粒 不能及时出刃，钻头很快失去钻孔能力。 基体如果选择很软的低碳钢，则在钻孔过程当中，由于必须克服一定的机械 力、摩擦力、不平衡力矩等，整个基体较软，再加上侧壁很薄，所以钻削过程很 容易使基体在侧壁处发生变形、甚至弯折等现象。 东北大学硕士学位论文第2 章影响薄壁金刚石钻头 ：艺因素分析 综合以上几点，本文认为采取中碳钢是比较适合的。其原因是：首先，中碳 钢与胎体( 镍钴基) 结合力较好，前处理也较简单。其次，钢体不硬，在钻削过 程当中，当刃部的金刚石慢慢磨损的过程中，其刃部的钢体也会相应慢慢磨损掉 小部分，能最大可能的保证侧壁的金刚石颗粒出刃( 由于刃部的金刚石微粒较少， 实际钻削也表明侧壁的金刚石颗粒总是会比刃部磨损的慢) ，就能大大增加钻头寿 命。 2 1 1 2 基体材料形状 基体材料外观见图2 1 ，需要着重讨论的问题是：壁厚，如图2 2 所示。 空白部分b 黑色部分a 图2 2 基体底刃正视图 f i g 2 2f r o n tv i e wo ft h eb o t t o mb l a d eo nm a t r i x 图2 2 所示是底刃基体圆圈部分正视图，a 为基体壁厚。b 为复合镀层厚度。 薄壁钻头在钻削过程中，实质是把沿壁厚a 及复合镀层b ，这两层厚度的材料( 如 陶瓷) 削除，从而达到钻孔的目的。而刚开始钻削的过程由于a 和b 部分均有金 刚石复合镀层，钻削很顺利。当底刃a 部分的金刚石磨损完毕( 即底刃处露出钢 基体的圆圈部分) ，只能靠b 部分的复合镀层进行钻孔。此时a 部分只能是以基 体的形式被磨损。如同分析基体硬度类似，如果此时基体壁很厚，钻头将很难钻 进( 本文在前文所做的实际钻削就出现类似的问题) 。原因是：钢基体底刃圆圈处 厚度大，很难被磨损，造成侧刃的金刚石复合镀层无法及时出刃。即使侧部能出 刃，也会因为壁太厚而无法进尺，钻头提前报废。如果把a 部分减少到一定量的 厚度，就会出现这样的效果：当a 部分没有金刚石颗粒时，它以一定的速度被磨 损掉，从而保证b 部分及时出刃，即底刃处的基体与复合镀层达到同步纵向磨损， 侧部复合镀层利用充分，钻头的寿命必然增加。同时壁厚也不能过薄，否则也会 出现变形、弯折等现象。 2 1 2 胎体成分 胎体的成分对影响切削性能的发挥很大【2 引。其中以镍基最常见1 2 9 。3 4 】。原因是 东北大学硕士学位论文 第2 章影响簿壁金刚石钻头下艺冈素分析 镍基胎体较有韧性，硬度不高( h v 4 0 0 左右) ，脆性较低，在钻削的过程当中破 碎率较低，出刃较快，而且镀液稳定、好控制。有人尝试用镍磷，镍锰等。但 是镍磷，镍锰的硬度很高( h v 7 0 0 以上) ，相应的脆性大，韧性太差，在钻削过 程很容易发生胎体破碎、金刚石颗粒脱落等现象【35 1 ，因而本文认为这两种胎体不 适合做钻头。有人也提出镍铁、铬等胎体，其效果也和前两者相差不多。 镍基胎体虽然有很多优点，但是其耐磨性较差。根据分析过基体的磨损机理。 如果胎体不磨损或者磨损缓慢，则金刚石出刃甚微，发挥不了金刚石的切削能力， 结果钻进效率低，而且胎体与实验材料摩擦会大量发热。如果胎体磨损太快，造 成金刚石颗粒的过早脱粒或崩刀，从而会使钻头迅速失去钻削能力。这就要求了 胎体有一定的耐磨性，而且还要符合不能过脆、过硬等缺点，从而达到了在同步 纵向磨损的时候与基体等同或者迟一步磨损。本文认为金属钴有利于发挥该项性 能。即使用镍钻合金作为胎体。由于钻的性质与镍很相似，无论是镀液、操作条 件还是一些物理性质它都和镍很接近。当钴含量超过7 时，其硬度会明显增加， 直到含量为4 0 时增加才不明显。所以把钻含量控制在1 0 9 6 , - - 2 0 时，复合镀层 将具备较高的硬度与韧性配比。因此镍钴合金不但会有较好的韧性，而且也会具 备较好的耐磨性，总的性能将会比单金属镍提高很多。李超群等人曾用镍钴镀层 作为金刚石钻头的胎体来增加其耐磨性【3 6 。3 引，同时也可以作为钻头的保径层，以 提高保径能力【3 9 1 。只是在实际应用中金属钻比金属镍的价格要高，但是这部分的 预算将会在性能方面被抵消。 2 1 3 金刚石颗粒材料 2 1 3 1 颗粒形状 市面上的金刚石微粒均为人造金刚石，基本采用爆破轰炸法制造，之后筛选 而得。人造金刚石相比天然金刚石的缺点是：纯度、硬度均较低，常含有微量金 属( 如镍、钴) ，具有磁性，容易产生电流尖端效应。从形态上可以分为棱角型和 圆