一種電鍍金剛石鉆頭及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種電鍍金剛石鉆頭及其制備方法，該金剛石鉆頭壁厚為0.4～0.6mm，工作層高度為2.6～3.2mm，金剛石粒度為50/60～70/80目，濃度為160～200％；其制法為采用鉆頭基體作為電鍍陰極，金屬板作為電鍍陽極，其次，向電鍍槽中加入硫酸鈷、硫酸鎳及氯化鈉，配制成電鍍液，最后，調節電鍍液的溫度、pH值及電流密度，制得所需的電鍍金剛石鉆頭。優點為制備的金剛石鉆頭不僅表面細致、含有的雜質少，且其具有高耐磨性及高工作壽命，采用其加工碳化硅陶瓷時，提高了加工效率和加工質量；同時，本發明的制備方法簡單，可操作性強，效率高。
【專利說明】
-種電媳金剛石鉆頭及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明屬于鉆頭領域，尤其設及一種電鍛金剛石鉆頭及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 由于科學技術的發展，特別是能源、空間技術的高度發展，經常要求材料必須有耐 高溫、抗腐蝕、耐磨損等優越性能，才能在比較苛刻的工作環境中使用。碳化娃陶瓷是近二 十幾年才開始發展的新材料，但由于其具有特別優良的高強度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫性 能，很快得到了開發應用，大量應用于石油化工、冶金機械、航空航天、微電子、汽車、鋼鐵等 領域，并日益顯示出其他特種陶瓷所無法比擬的優點。因此，其已在許多領域大顯身手，并 日益受到人們的重視。例如，碳化娃陶瓷在石油化學工業中已被廣泛地用作各種耐腐蝕用 容器及管道，在機械工業中已被成功地用作各種軸承、切削刀具和機械密封部件，在宇航和 汽車工業中也被認為是未來制造燃氣輪機、火箭噴嘴和發動機部件的最有希望的候選材 料。
[0003] 隨著碳化娃陶瓷的廣泛使用，人們對碳化娃陶瓷的加工質量要求也越來越高，傳 統的機械加工方法具有加工成本低、設備簡單、工序簡易等優點，特別是對成型后的碳化娃 陶瓷產品進行裝配時，可W進行現場加工，省去了大量的人力及時間。目前，用于加工碳化 娃陶瓷主要使用燒結金剛石鉆頭、針焊金剛石鉆頭W及電鍛金剛石鉆頭。燒結金剛石鉆頭 的胎體與金剛石磨粒兩者的磨損速度難W保持同一性，易出現鉆頭純化、打滑現象，加工后 的碳化娃陶瓷表面質量較差，針焊金剛石鉆頭的金剛石顆粒出刃高，磨損較快，工具自身的 使用壽命短，而電鍛金剛石由于具有加工質量好及工具壽命長等優點，使用較廣泛，但由于 碳化娃陶瓷硬度高，耐磨性強，使用目前市面上普遍性的電鍛金剛石鉆頭加工效率低，加工 質量差，電鍛金剛石鉆頭自身的工作壽命也較短。
[0004] 因此，針對碳化娃陶瓷研制性能優異的電鍛金剛石鉆頭及制作工藝，具有十分重 要的意義。
【發明內容】
[0005] 發明目的：本發明的第一目的是提供一種高硬度、強耐磨性及高加工效率的電鍛 金剛石鉆頭;本發明的第二目的是提供該金剛石鉆頭的制備方法。
[0006] 技術方案:本發明的電鍛金剛石鉆頭，其壁厚為0.4~0.6mm，工作層高度為2.6~ 3.2mm，金剛石粒度為50/60~70/80目，金剛石濃度為160~200%。
[0007] 本發明通過設定金剛石鉆頭的壁厚及工作層高度，從而在加工時提高了其力學性 能及穩定性;通過設定金剛石的粒度及濃度，提高了鉆頭的加工性能及加工效率;優選的， 該金剛石鉆頭壁厚為0.48~0.54mm，工作層高度為2.8~3.0mm，金剛石濃度為180~196%。 [000引本發明制備電鍛金剛石鉆頭的方法包括如下步驟:首先，采用鉆頭基體作為電鍛 陰極，金屬板作為電鍛陽極，其次，向電鍛槽中加入硫酸鉆、硫酸儀及氯化鋼，配制成電鍛 液，其中，該電鍛液中硫酸鉆的質量濃度為22~29g/L、硫酸儀的質量濃度為185~205g/L、 氯化鋼的質量濃度為11~17旨/1，最后，調節電鍛液的溫度為46~52°(：、1)巧直為4.3~4.8及 電流密度為3.2~3.7A/dm2，根據制作要求，先對基體進行空鍛，W便金剛石更好地附著上， 然后進行上砂鍛使金剛石初步粘附在基體上，并進行加厚鍛，使金剛石進一步被鍛層包裹， 最后獲得所需的電鍛金剛石鉆頭。
[0009] 本發明采用儀-鉆電鍛溶液，且通過設定硫酸鉆、硫酸儀及氯化鋼的濃度、鍛液的 溫度、抑值及電流密度，使胎體對金剛石具有良好的結合力，且增強了胎體的力學性能，使 得電鍛金剛石鉆頭具有高耐磨性，優選的，電鍛液中硫酸鉆的質量濃度可為24~27g/L、硫 酸儀的質量濃度可為192~198g/L、氯化鋼的質量濃度可為13~16g/L，金屬板采用金屬儀 板，電鍛液的溫度可為48~51°C，pH值為4.4~4.6及電流密度為3.4~3.6AAlm2。
[0010] 有益效果:與現有技術相比，本發明的顯著優點為:制備的電鍛金剛石鉆頭不僅表 面細致、含有的雜質少，且其具有高耐磨性及高工作壽命，采用其加工碳化娃陶瓷時，提高 了加工效率和加工質量;同時，本發明的制備方法簡單，可操作性強，效率高。
【附圖說明】
[0011] 圖巧實施例1制備的電鍛金剛石鉆頭的端面磨損圖；
[0012]圖2為實施例1制備的電鍛金因陽鉆頭的偵幢磨損圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。
[0014] 本發明中金剛石濃度采用400%濃度制，即金剛石濃度為100%時鍛層中金剛石體 積濃度為25 %。
[001引實施例1
[0016] 制備的電鍛金剛石鉆頭的壁厚為0.4mm，工作層高度為2.6mm，金剛石粒度為50/ 60,金剛石濃度為200 %。
[0017] 制作方法:首先，選擇合適的鋼材，制成符合要求的基體，并對基體進行前處理，主 要包括化學除油、酸洗及活化Ξ個步驟，除去鉆頭鋼體上的油污和鐵誘，然后將其設置為電 鍛陰極，在電鍛槽中加入硫酸鉆、硫酸儀、氯化鋼，配制成電鍛液，該電鍛液中硫酸鉆的質量 濃度為22g/L、硫酸儀的質量濃度為185g/L、氯化鋼的質量濃度為llg/L，調節電鍛液的溫度 為46°C，加入棚酸，調節其抑值為4.3，電流密度為3.2A/dm2，根據制作要求，先對基體進行 空鍛，W便金剛石更好地附著上，然后進行上砂鍛使金剛石初步粘附在基體上，并進行加厚 鍛，使金剛石進一步被鍛層包裹，最后獲得所需的電鍛金剛石鉆頭。
[0018] 從圖1中可W看出，電鍛金剛石鉆頭的金剛石存在著完整晶形、局部微破碎、大面 積及整體破碎W及脫落坑等情況，屬于電鍛金剛石鉆頭加工過程中出現的正常磨損現象。 電鍛金剛石工具很難觀察到金剛石的磨平狀態，運是因為電鍛金剛石鉆頭的壁厚較薄，在 一定進給壓力下，端面單顆金剛石承受的載荷很大，切入材料較深，加上切削區冷卻條件較 好，很少發生金剛石表面的氧化和石墨化，從而導致金剛石發生磨平磨純的情況很少，而發 生局部微破碎的情況較多，由此可知制備的電鍛金剛石鉆頭的加工性能優異，能夠加工硬 度高、耐磨性強的碳化娃陶瓷;此外，由于電鍛金屬結合劑對金剛石的包埋深度較深，金剛 石出露高度小，鉆頭側壁金剛石雖不承受進給載荷，但會承受較多的沖擊載荷，從而造成側 壁金剛石出現微破碎的情況較多，如圖2所示，而運些特征都是加工過程中出現的正常現 象。因此，由圖1及圖2可知制備的電鍛金剛石鉆頭的加工性能優異，其鍛層表面出現的氣孔 數少、表面平整，且其加工質量及加工效率高。
[0019] 實施例2
[0020] 本發明制備的電鍛金剛石鉆頭的壁厚為0.6mm，工作層高度為3.2mm，金剛石粒度 為70/80,金剛石濃度為160 %。
[0021 ]制作方法:首先，選擇合適的鋼材，制成符合要求的基體，并對基體進行前處理，主 要包括化學除油、酸洗及活化Ξ個步驟，除去鉆頭鋼體上的油污和鐵誘，然后將其設置為電 鍛陰極，在電鍛槽中加入硫酸鉆、硫酸儀、氯化鋼，配制成電鍛液，該電鍛液中硫酸鉆的質量 濃度為29g/L、硫酸儀質量濃度為205g/L、氯化鋼的質量濃度為17g/L，調節電鍛液的溫度為 52°C，加入棚酸，調節其抑值為4.8，電流密度為3.7A/dm2，根據制作要求，先對基體進行空 鍛，W便金剛石更好地附著上，然后進行上砂鍛使金剛石初步粘附在基體上，并進行加厚 鍛，使金剛石進一步被鍛層包裹，最后獲得所需的電鍛金剛石鉆頭。
[0022] 本發明制備的電鍛金剛石鉆頭鍛層含有的雜質少，表面細致，耐磨性強，工作壽命 長。
[0023] 實施例3
[0024] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于金剛石的壁厚，分別 將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表1所示。
[0025] 表1金剛石鉆頭性能對照表
[0026]
[0027] 由表1可知，金剛石鉆頭壁厚不同，其所制得的電鍛金剛石鉆頭的性能存在差異。 采用本發明設定的壁厚，即0.4~0.6mm，制得的電鍛金剛石鉆頭的穩定性強，且其加工質量 及工作壽命明顯提高，其中W壁厚為0.48~0.54mm制得的電鍛金剛石鉆頭的綜合性能最 佳。運是由于鉆頭壁厚較小時，其穩定性較差，也會影響加工質量使其相應降低，工作壽命 一般較短;但當鉆頭壁厚較大時，其穩定性反而容易降低，加工質量降低，壁厚較大雖然有 助于延長工作壽命，但由于加工的不穩定性，工作壽命還是會相應降低些。
[0028] 實施例4
[0029] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于金剛石的工作層的 高度，分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表2所示。
[0030] 表2金剛石鉆頭性能對照表
[0031]
[0032] 由表2可知，金剛石鉆頭的工作層高度不同，制得的電鍛金剛石鉆頭的性能存在差 異。采用本發明設定的工作層高度，即2.6~3.2mm，制得的電鍛金剛石鉆頭的穩定性強，且 其加工質量及工作壽命明顯提高，其中W工作層高度為2.8~3.0mm制得的電鍛金剛石鉆頭 的綜合性能最佳。運是由于工作層高度較低，鉆頭工作時穩定性較好，對工件的加工質量也 會相應較好，但由于鉆頭的磨損，工作層高度較小時其工作壽命也會相應較小;而工作層高 度較高時，鉆頭的穩定性和加工質量將會降低，雖然工作層高度較高，但由于加工的不穩定 性，鉆頭的工作壽命也會降低。
[0033] 實施例5
[0034] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于金剛石的濃度，分別 將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表3所示。
[0035] 表3金剛石鉆頭性能對照表
[0036]
[0037] 由表3可知，金剛石濃度不同，制得的鉆頭的性能存在差異。采用本發明設定的金 剛石濃度，即160%~200%，制得的電鍛金剛石鉆頭的加工效率及加工質量明顯提高，其中 W金剛石濃度為180%~196%制得的電鍛金剛石鉆頭的綜合性能最佳。運是由于較低的金 剛石濃度，鉆頭工作時參與工作的金剛石顆粒較少，加工效率較低，加工質量也會相應較 差;而當金剛石濃度較高時，雖然參與工作的金剛石顆粒較多，但金剛石與胎體成分間的結 合能力較弱，胎體磨損太快，反而會影響鉆頭的加工效率和加工質量。
[003引實施例6
[0039]設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于電鍛液中硫酸鉆的 質量濃度，分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表4所示。
[0040] 表4金剛石鉆頭性能對照表
[0041]
[0042] 由表4可知，電鍛液中硫酸鉆的質量濃度不同，制得的電鍛金剛石鉆頭的性能存在 差異。采用本發明設定的硫酸鉆的質量濃度，即22~29g/L，制得的電鍛金剛石鉆頭的力學 性能強，且加工效率明顯提高，其中W硫酸鉆的質量濃度為24~27g/L制得的電鍛金剛石鉆 頭的綜合性能最佳。運是由于適量鉆可W提高胎體的抗彎強度，有利于增強力學性能，提高 加工效率;而過量的鉆容易降低與金剛石的結合力，反而不利于電鍛金剛石鉆頭的力學性 能及加工效率。
[0043] 實施例7
[0044] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于電鍛液中硫酸儀的 質量濃度，分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表5所示。
[0045] 表5金剛石鉆頭性能對照表
[0046]
[004引由表5可知，電鍛液中硫酸儀的質量濃度不同，制得的電鍛金剛石鉆頭的性能存在 差異。采用本發明設定的硫酸儀的質量濃度，即185~205g/L，制得的電鍛金剛石鉆頭的力 學性能強，其加工效率明顯提高，其中W硫酸儀的質量濃度為192~198g/L制得的電鍛金剛 石鉆頭的綜合性能最佳。運主要是由于適量的儀有助于提高胎體的耐磨性，力學性能好，加 工效率高；而過量的儀容易使胎體的磨損速度低于金剛石的磨損速度，使金剛石不能及時 出露，從而影響鉆頭的力學性能和加工效率。
[0049] 實施例8
[0050] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于電鍛液中氯化鋼的 質量濃度，分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表6所示。
[0051 ]表6金剛石鉆頭性能對照表
[0化2]
[0053]由表6可知，電鍛液中氯化鋼的質量濃度不同，制得的電鍛金剛石鉆頭的性能存在 差異。采用本發明設定的氯化鋼的質量濃度，即11~17g/L，制得的電鍛金剛石鉆頭的力學 性能強，且加工效率明顯提高，其中W氯化鋼的質量濃度為13~16g/L制得的電鍛金剛石鉆 頭的綜合性能最佳。運主要是由于適量的氯化鋼作為陽極活化劑，可W防止陽極純化，使陽 極在電鍛過程中正常溶解，同時有助于提高電鍛液的導電性，提高電鍛的能力，避免漏鍛， 力學性能好，加工效率高;而過量的氯化鋼反而會影響電鍛的能力，使得力學性能變差，加 工效率降低。
[0054] 實施例9
[0055] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于電鍛液的溫度不同， 分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表7所示。
[0056] 表7金剛石鉆頭性能對照表 [0化7]
[0化引由表7可知，將電鍛液溫度調節為46~52°C所制得的電鍛金剛石鉆頭，能夠減小鍛 層表面出現的氣孔數及脆性，從而提高鉆頭的力學性能及穩定性，且生產周期較短，工作壽 命明顯提高，其中，W電鍛液溫度為48~5rC制得的金剛石鉆頭的綜合性能最佳，運是由于 在電鍛工程中，雖然較低的溫度能夠使得結晶較細，鉆頭生長平整，但是鉆頭的制作周期較 長;而較高的溫度能夠提高均鍛能力，使得鍛層細致平整，增強與鋼體的結合力，減小掉塊 的幾率，同時能夠提高溶質的溶解性及鍛液的導電性，減少鍛層的含氨量，縮短鉆頭的生產 周期，但溫度過高也易使鹽類水解為氨氧化合物，使鍛層產生氣孔，降低鉆頭的性能。
[0059] 實施例10
[0060] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于調電鍛液的pH值不 同，分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表8所示。
[0061 ]表8金剛石鉆頭性能對照表
[0062]
[0064]由表8可知，將電鍛液中的pH值調節為4.3~4.8，能夠減少鍛層中的雜質，使鍛層 獲得細致平整的表面，從而提高鉆頭的加工性能及穩定性，增加其工作壽命，其中，WpH值 為4.4~4.6制得的鉆頭的綜合性能最佳，運是由于雖然較低的抑值能夠避免電鍛層燒焦， 導電性也較好，還能夠降低鍛層上氣孔的出現率，但容易使低電流區發生漏鍛現象;而較高 的抑值容易產生氨氧化物沉淀，夾雜在鍛層中使胎體發脆，使得鉆頭的耐磨性降低，同時易 使得高電流區鍛層發生燒焦等不良現象。
[00化]實施例11
[0066] 設計7組平行試驗，基本步驟與實施例1相同，不同之處僅在于電鍛液的電流密度， 分別將制得的金剛石鉆頭進行性能檢測，獲得的實驗結果如表9所示。
[0067] 表9金剛石鉆頭性能對照表 [006引
[0069]由表9可知，將電鍛液中的電流密度調節為3.2~3.7A/dm2，能夠提高鍛層的平整 性及電鍛速度，且使金剛石均勻分布在被鍛表面與鍛層牢固結合，從而提高鉆頭的力學性 能及穩定性，增加其工作壽命，其中，W電流密度為3.4~3.6A/dm2制得的金剛石鉆頭的綜 合性能最佳，運是由于電流密度與鍛液成分及濃度、溫度和pH值密切相關，雖然較高的電流 密度能夠提高鍛層的平整性及電鍛的速度，生產周期較短，但是易使鍛層燒焦、粗糖，與鋼 體的結合力也較弱；而較低的電流雖然能夠使金剛石均勻分布在被鍛表面與鍛層牢固結 合，但較低的電流密度易使電流區難W鍛覆，生產效率低。
【主權項】
1. 一種電鍍金剛石鉆頭，其特征在于:該金剛石鉆頭壁厚為ο. 4~0.6mm，工作層高度為 2.6~3.2mm，金剛石粒度為50/60~70/80目，其金剛石濃度為160~200%。2. 根據權利要求1所述的電鍍金剛石鉆頭，其特征在于:所述金剛石鉆頭壁厚為0.48~ 0.54mm〇3. 根據權利要求1所述的電鍍金剛石鉆頭，其特征在于:所述金剛石鉆頭工作層高度為 2·8~3·Omm〇4. 根據權利要求1所述的電鍍金剛石鉆頭，其特征在于：所述金剛石濃度為180~ 196%〇5. -種制備權利要求1所述的電鍍金剛石鉆頭的方法，其特征在于包括如下步驟：首 先，采用鉆頭基體作為電鍍陰極，金屬板作為電鍍陽極，其次，向電鍍槽中加入硫酸鈷、硫酸 鎳及氯化鈉，配制成電鍍液，其中，該電鍍液中硫酸鈷的質量濃度為22~29g/L、硫酸鎳的質 量濃度為185~205g/L、氯化鈉的質量濃度為11~17g/L，最后，調節電鍍液的溫度為46~52 °C、pH值為4.3~4.8及電流密度為3.2~3.7A/dm 2，先對基體進行空鍍，以便金剛石更好地 附著上，然后進行上砂鍍使金剛石初步粘附在基體上，并進行加厚鍍，使金剛石進一步被鍍 層包裹，最后獲得所需的電鍍金剛石鉆頭。6. 根據權利要求5所述的制備電鍍金剛石鉆頭的方法，其特征在于:所述電鍍液中硫酸 鈷的質量濃度為24~27g/L、硫酸鎳的質量濃度為192~198g/L、氯化鈉的質量濃度為13~ 16g/L〇7. 根據權利要求5所述的制備電鍍金剛石鉆頭的方法，其特征在于:所述金屬板為金屬 鎳板。8. 根據權利要求5所述的制備電鍍金剛石鉆頭的方法，其特征在于:調節所述電鍍液的 溫度為48~51°C。9. 根據權利要求5所述的制備電鍍金剛石鉆頭的方法，其特征在于:調節所述電鍍液的 pH值為4.4~4.6〇10. 根據權利要求5所述的制備電鍍金剛石鉆頭的方法，其特征在于：調節所述電鍍液 的電流密度為3.4~3.6A/dm2。
【文檔編號】C25D3/56GK105835237SQ201610288086
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】高超, 吳國榮, 王生
【申請人】江蘇科技大學