一种金刚石钻头及其制备方法

摘要

本发明具体涉及一种金刚石钻头及其制备方法。本发明提供的金刚石钻头包括钻头基体和位于钻头工作区域表面的电镀磨料层，电镀磨料层包括电镀结合剂和金刚石磨粒，电镀结合剂为暗镍和亮镍复合镀层。本发明还提供了上述金刚石钻头的制备方法，其是先将钻头基体在暗镍电镀液中进行预镀、上砂镀和加厚镀，然后再在亮镍镀液中进行亮镍加厚镀。本发明得到的金刚石钻头加工的腔体毛细孔孔壁更光滑，麻点、道子、起伏等缺陷较少，钻头的使用寿命更长、稳定性更好。

权利要求

1.一种金刚石钻头，其特征在于，包括钻头基体和位于钻头工作区域表面的电镀磨料层，所述电镀磨料层包括电镀结合剂和金刚石磨粒，所述电镀结合剂为暗镍和亮镍复合镀层，所述暗镍和亮镍复合镀层中暗镍镀层和亮镍镀层的厚度分别为金刚石粒径的1/3;所述金刚石磨粒粒度为600/700目;镀亮镍镀层时的亮镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，所述硫酸镍的质量浓度为245～275g/L、所述氯化镍的质量浓度为28～38g/L、所述硼酸的质量浓度为28～32g/L、所述十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.05～0.1g/L、所述糖精的质量浓度为0.4～0.8g/L、所述丁炔二醇的质量浓度为0.3～0.6g/L，所述糖精和丁炔二醇的添加比例为4：3。

2.如权利要求1所述的金刚石钻头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钻头基体先在暗镍电镀液中进行预镀、上砂镀和暗镍加厚镀，然后再在亮镍镀液中进行亮镍加厚镀。

3.根据权利要求2所述的金刚石钻头的制备方法，其特征在于，所述暗镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，所述硫酸镍的质量浓度为245～275g/L、所述氯化镍的质量浓度为28～38g/L、所述硼酸的质量浓度为28～32g/L、所述十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.05～0.1g/L。

4.根据权利要求2所述的金刚石钻头的制备方法，其特征在于，电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液的温度为50～60℃；电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液的pH值为4.0～4.5；预镀、暗2

镍加厚镀和亮镍加厚镀时的电流密度为0.9～1.5A/dm ，上砂镀时的电流密度为0.2～2

0.4A/dm。

5.根据权利要求2所述的金刚石钻头的制备方法，其特征在于，所述上砂镀镀时采用的是埋砂法。

6.根据权利要求2所述的金刚石钻头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将钻头基体先在暗镍电镀液中进行预镀、上砂镀和暗镍加厚镀，然后再在亮镍镀液中进行亮镍加厚镀；所述暗镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，所述硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.75g/L；所述亮镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，所述硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为

30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.075g/L、糖精的质量浓度为0.6g/L、丁炔二醇的质量浓度为0.45g/L；电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液的温度为55℃；电镀时暗镍电镀液和亮2

镍电镀液的pH值为4.2；预镀、暗镍加厚镀和亮镍加厚镀时的电流密度为1.2A/dm ，上砂镀2

时的电流密度为0.3A/dm。

说明书

一种金刚石钻头及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于钻头领域，具体涉及一种金刚石钻头及其制备方法。

背景技术

[0002] 金刚石钻头作为一种具有很高强度和硬度的切削工具，经常用于玻璃、陶瓷、岩石等材料加工，常规金刚石钻头的制备方法主要分为烧结法和电镀法两种。相对于烧结钻头、
电镀金刚石钻头因为加工精度高、加工质量好，在玻璃深孔加工领域应用更广泛。

[0003] 目前电镀金刚石钻头普遍以镍镀层为电镀结合剂，镍镀层主要分为暗镍和亮镍。普通镀镍液全部为暗镍电镀液，镀层灰暗无光泽，在暗镍镀镍液中加入光亮剂就成为光亮
镀镍液。添加的光亮剂会在阴极表面进行分解、还原和吸附，并参与共沉积，影响电极反应，
最终可以直接获得光亮、整平的镀层。光亮剂对镀层的影响主要有以下几点：

[0004] 1)光亮剂具有细晶化作用。一般认为，镀层的光亮度和镀层的微粒结晶有关，通常晶粒越细，镀层越光亮，而光亮剂具有使镀层结晶明显细化的作用；

[0005] 2)光亮剂在阴极表面的吸附作用，阻碍了结晶沿基体的直角方向生长，因而使阴极上沉积的晶粒有规则地按平行于基体表面排列，从而有利于形成平滑的表面；

[0006] 3)光亮剂在阴极表面还原后会吸附在电极表面，在阴极表面凸出的部位，光亮剂吸附量大，使电流不易流过，抑制了凸出部位的结晶生长；在凹入部位，光亮剂吸附量小，电
流大，结晶生长快，就产生了整平作用；

[0007] 然而随着光亮剂的添加，对镀层性能的影响也不全是正面的。研究表明，光亮剂多为有机成分，电镀过程有机成分夹杂在镀层内，一般会造成内应力增加，严重地会引起镀层
开裂、脱皮等，表现出明显的脆性。此外，随着电镀液中的成分越来越复杂，电镀液的稳定和
各成分间的平衡也越难控制，对长时间批量生产时产品质量的考验也愈发严峻。

[0008] 综上所述，亮暗镍镀层各有优缺点：暗镍镀层硬度较低、内应力小，镀层结合力好、相对不耐磨损；亮镍镀层硬度可以达到很高、内应力大，镀层结合力较差、更耐磨损。

[0009] 激光陀螺是一种激光角速率传感器，在同一环形谐振腔光路中反向传播同一光源输出的激光，通过萨格纳克效应来检测外界环形的旋转角速度。激光陀螺无需机电陀螺所
必需的高速转子，具有高精度、高可靠、长寿命、快速启动、长期稳定性好和全固态等特点，
是公认的新一代高灵敏、高精度、高可靠、大动态范围捷联式惯性系统的理想传感器。

[0010] 激光陀螺腔体是组成激光陀螺谐振腔的核心部件，一般由微晶玻璃构成，具有复杂内孔结构，材料硬度和尺寸精度要求高，一般只能采用硬度和切削性能非常好的电镀金
刚石钻头加工而成。

[0011] 为了提高谐振腔真空特性和陀螺精度，对腔体内孔质量，尤其是内孔孔壁光滑程度，也提出了更高的要求。为了改善内孔孔壁光滑程度，申请人在金刚石钻头制备过程中逐
渐将金刚石颗粒粒度降低，但同时也增加了钻头使用过程的不稳定性。

[0012] 以腔体加工钻头中使用量最大、内孔质量要求最高的毛细孔钻头为例，这些问题主要表现在：

[0013] 1)钻头使用寿命较低。1根毛细孔钻头仅能加工约2个以下腔体。

[0014] 2)钻头合格率较低。在单根钻头规定使用寿命范围内，经常出现因钻头脱砂、烧刀造成的钻头停用，甚至腔体报废，进而有可能损坏机床。

[0015] 3)电镀工序稳定性不好。2018年之前，平均每年发生1次连续多批次性钻头生产故障，每次故障处理时间都长达1个月以上，可以说对钻头生产质量的掌控远远不够。

[0016] 因此，针对激光陀螺批产化和精度要求，有必要开发更加成熟的细小粒度金刚石钻头制备工艺，并通过电镀工艺的改进，进一步提高金刚石钻头的使用寿命。

发明内容

[0017] 本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种金刚石钻头及其制备方法，用于解决深孔加工过程常出现的钻头易磨损、工作寿命短的问题。

[0018] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

[0019] 本发明提供了一种金刚石钻头，包括钻头基体和位于钻头工作区域表面的电镀磨料层，所述电镀磨料层包括电镀结合剂和金刚石磨粒，所述电镀结合剂为暗镍和亮镍复合
镀层。

[0020] 亮暗镍镀层各有优缺点：暗镍镀层硬度较低、内应力小，镀层结合力好、相对不耐磨损；亮镍镀层硬度可以达到很高、内应力大，镀层结合力较差、更耐磨损。本发明中采用亮
暗镍复合电镀工艺，在金刚石钻头镀层底部仍为暗镍，内应力小，镀层外部为亮镍，硬度高，
耐磨损，因此钻头电镀过程中较好地规避了上砂不完整、镀层易开裂的故障现象，兼顾了亮
镍的优点，自2018月至今，所产钻头的使用结果证明，亮暗镍复合电镀钻头质量更稳定、使
用寿命更高，较好地适用于激光陀螺腔体生产中的细砂深孔加工。

[0021] 进一步，所述金刚石磨粒粒度为600/700目。

[0022] 在硬脆材料加工过程中，金刚石钻头类似以无数细小的切削刃在高速运动中剥离颗粒，单位面积切削刃越多，钻头耐磨损性能越好、加工出来的内壁也越光滑，因此为了提
高深孔内壁加工质量和钻头寿命，一个较好的办法就是降低金刚石的粒度；但随着金刚石
粒度变得越小，电镀过程中控制难度加大，金刚石钻头钻进效率会急剧降低，功率消耗会明
显变大，因此从生产角度考虑，不宜过度追求太小的金刚石粒度。另外，在金刚石钻头钻进
过程中，经过一段使用时间后，金刚石磨粒的突出高度必然会随着磨粒的磨损而逐渐降低、
磨平、变钝，逐渐丧失切削能力，需要频繁地更换钻头。申请人经过长期的生产制备经验和
不同粒度的金刚石钻头的使用寿命分析，最终将金刚石磨粒的粒度确定为600/700目。

[0023] 进一步，所述暗镍和亮镍复合镀层中暗镍镀层和亮镍镀层的厚度分别为金刚石粒径的1/3。

[0024] 电镀过程中，镀层中会存在内应力，有机添加剂会造成镀层内应力增大，因此随着镀层厚度的逐渐增加，镀层内应力增加愈发严重，最终导致镀层开裂，脱皮。因此保证暗镍
镀层和亮镍镀层合适的厚度对于整个金刚石钻头的质量具有重要的作用。

[0025] 本发明还提供了上述金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：将钻头基体先在暗镍电镀液中进行预镀、上砂镀和暗镍加厚镀，然后再在亮镍电镀液中进行亮镍加厚镀。

[0026] 其中，所述暗镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，所述硫酸镍的质量浓度为245～275g/L、所述氯化镍的质量浓度为28～38g/L、所述硼酸的质量浓度为
28～32g/L、所述十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.05～0.1g/L。

[0027] 其中，所述亮镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，所述硫酸镍的质量浓度为245～275g/L、所述氯化镍的质量浓度为28～38g/L、所述硼酸
的质量浓度为28～32g/L、所述十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.05～0.1g/L、所述糖精的质
量浓度为0.4～0.8g/L、所述丁炔二醇的质量浓度为0.3～0.6g/L，所述糖精和丁炔二醇的
添加比例为4：3。

[0028] 其中，电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液的温度为50～60℃；电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液的pH值为4.0～4.5；预镀、暗镍加厚镀和亮镍加厚镀时的电流密度为0.9～
2 2
1.5A/dm，上砂镀时的电流密度为0.2～0.4A/dm。

[0029] 其中，上砂镀时采用的是埋砂法。

[0030] 本发明还提供了上述金刚石制备方法的最优选方法，包括以下步骤：将钻头基体先在暗镍电镀液中进行预镀、上砂镀和暗镍加厚镀，然后再在亮镍镀液中进行亮镍加厚镀；
所述暗镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，所述硫酸镍的质量浓度为
260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度
为0.75g/L；所述亮镍电镀液包括硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，
所述硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为30g/L、十
二烷基硫酸钠的质量浓度为0.075g/L、糖精的质量浓度为0.6g/L、丁炔二醇的质量浓度为
0.45g/L；电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液的温度为55℃；电镀时暗镍电镀液和亮镍电镀液
2
的pH值为4.2；预镀、暗镍加厚镀和亮镍加厚镀时的电流密度为1.2A/dm ，上砂镀时的电流
2
密度为0.3A/dm。

[0031] 本发明具有以下有益技术效果：

[0032] (1)采用暗镍和亮镍复合镀层作为电镀结合剂，兼顾了暗镍韧性好和亮镍硬度高的优点，更耐磨损，使用寿命长；

[0033] (2)本发明中钻头基体端面的排屑导流槽设计更加适用于深孔玻璃加工过程中的冷却和排屑；

[0034] (3)本发明中选用的美国GE的MBG系列金刚石磨粒耐磨性和热稳定性好，又具有较好的切削性能；

[0035] (4)通过精细的工艺控制镀制金刚石钻头，用于腔体加工时，孔壁质量较好，处于国内领先地位；

[0036] (5)采用亮暗镍电镀工艺后，所产单根钻头的规定加工腔体数量和实际平均加工腔体数量均有明显提升，因钻头质量问题造成的腔体不合格比例逐年下降，证明亮暗镍复
合电镀工艺对所产钻头的使用寿命及稳定性有明显提升效果。

附图说明

[0037] 图1为本发明的纵向剖视结构示意图；

[0038] 图2为本发明的俯视结构示意图；

[0039] 图3为显微硬度计测量图片；

[0040] 图4为金刚石钻头镀层图片；图A中金刚石粒度为600/700目、100X，B中金刚石粒度为325/400目、100X，C中金刚石粒度为230/270目、100X；

[0041] 图5为不同钻头加工后腔体毛细孔内壁图片；图中A为国内某单位的钻头加工后腔体毛细孔内壁图片(60X)、B为国内另一单位的钻头加工后腔体毛细孔内壁图片(60X)、C为
本申请中的钻头加工后腔体毛细孔内壁图片(60X)

[0042] 图6为因钻头烧刀造成腔体不合格比例年度变化图。

[0043] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：

[0044] 1钻头基体、2电镀磨料层、3排屑导流槽。

具体实施方式

[0045] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0046] 实施例1

[0047] 如图1、2所示，一种金刚石钻头，包括钻头基体1和位于钻头工作区域表面的电镀磨料层2，电镀磨料层2包括电镀结合剂和金刚石磨粒，电镀结合剂为暗镍和亮镍复合镀层。

[0048] 所述钻头基体1为管状钻头基体，钻头的端面设置有均匀分布的排屑导流槽3，本实施例中为两条对称分布的0.5×1mm(宽×高)的排屑导流槽3。所述金刚石磨粒粒度为
600/700目，优选为美国GE的MBG系列。

[0049] 所述暗镍和亮镍复合镀层中暗镍镀层和亮镍镀层的厚度分别为金刚石粒径的1/3。

[0050] 实施例2

[0051] 为确定光亮剂添加比例，从实用角度出发，我们选取镍镀层性能中较易检测的硬度指标进行分析。测试方法如下：

[0052] 取厚度1mm的304#薄钢板，经320#和W28、W14、W7砂纸依次打磨平整，作为硬度测试2
试样。将一个薄钢板在暗镍电镀液中，以2A/dm的电流密度镀镍120mi n，作为标样；其它薄
2
钢板样品在亮镍电镀液中，同样以2A/dm的电流密度镀镍120mi n。硬度测试采用显微硬度
计，如图3所示。将两相对面夹角为136°的金刚石四棱锥体压头，在一定的试验力作用下压
入试样表面，保持一定的时间后，卸除试验力，测量压痕对角线长度，根据显微镜硬度计算
2
公式HV＝0.1891F/d，得出试样镀层硬度，其中F为作用力，d为压痕对角线长度。

[0053] 上述方法中，暗镍电镀液中：硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.075g/L，电镀时的温度为
45℃，pH为4.0。

[0054] 根据以上方法，依次测量了不同光亮剂添加比例的镀层显微硬度，如下表1所示：

[0055] 表1光亮剂添加量与亮镍镀层硬度对照表

[0056]

[0057]

[0058] 如上表1所示，未添加光亮剂的镀层硬度为278kg/mm2，添加一定浓度的光亮剂，镀层硬度显著增加约1倍，且随着添加剂比例的持续增加，硬度增加并不明显。

[0059] (2)亮镍镀层内应力研究

[0060] 虽然在上述研究中我们针对性的往亮镍电镀液中添加了糖精，在电沉积过程中，可以影响晶粒错位的形成，一定程度上使镀层内应力降低，但因为有机添加剂的作用，在阴
极表面会参与电极反应，掺杂在镍镀层中，还是会较大程度上表现为镀层应力增加。在亮镍
电镀实验过程中，研究人员多次发现镀层在电镀完毕后有开裂、起皮现象，而且随着镀层厚
度的逐渐增加，镀层内应力增加愈发严重，最终导致镀层结合力不好，甚至开裂、起皮。

[0061] 因为定量地测量镀层内应力比较困难，因此研究人员采取条形阴极法从宏观上考察亮镍镀层厚度对镀层整体内应力的影响。此外研究人员还考察了不同亮镍镀层厚度对镀
层整体硬度、起皮/开裂现象、耐磨性等指标进行分析。测试方法如下：

[0062] 取长100mm、宽5mm、厚度0.2mm的铜片，将一面用防镀胶绝缘保护，作为测试试样。2
依次将铜片在暗镍电镀液和亮镍电镀液中，以2A/dm的电流密度镀镍，通过控制镀镍时间
来获得不同厚度的暗镍和亮镍镀层。因为研究人员优选的600/700目金刚石的粒径大小约
为30μm，而在金刚石钻头使用过程中，金刚石露出1/3的高度具有较好的切削性能和镀层把
持力，工程应用效果较好，因此实验中暗镍和亮镍镀层总厚度控制在20μm。

[0063] 其中硬度指标仍按照实施例2中检测方法进行测试。

[0064] 内应力大小通过铜片是否弯曲及弯曲弧度来定性表征，并通过观察铜片上的镀层是否有起皮/开裂现象来进一步表征镀层内应力情况。

[0065] 耐磨性则利用表面耐磨性测试仪进行检测。即采用同样质量的摩擦头和摩擦速度，每摩擦一定时间，测量剩余镀层厚度，镀层越厚，则表明耐磨性越好。结果如下表所示：

[0066] 表2不同亮镍镀层厚度与亮暗镍复合镀层性能对照表

[0067]

[0068] 综上可知，添加一定比例的光亮剂后，可以获得硬度更高的镀层，但随着镀层内应力的增加，容易出现因内应力过大镀层开裂、脱皮故障。

[0069] 结合表1和表2的测试结果，我们可以看到当控制暗镍镀层和亮镍镀层厚度分别为2
10μm(金刚石粒径的1/3)时，镀层整体硬度在500kg/mm以上，远远高于单纯的暗镍镀层；铜
片弯曲弧度较弱，未发现起皮/开裂现象，证明镀层内应力在可以控制的范围内；且镀层耐
磨性较好。因此我们将亮镍电镀液中糖精的添加量优选为0.4～0.8g/L，丁炔二醇的添加量
优选为0.3～0.6g/L，且其中糖精和丁炔二醇的添加比例为4：3，暗镍镀层和亮镍镀层的厚
度分别为金刚石粒径的1/3，且亮镍镀层厚度和暗镍镀层厚度相同。

[0070] 实施例3

[0071] 确定好亮镍电镀液的配方后我们对金刚石钻头的制备方法进行研究，参照现有的制备方法，将亮暗镍复合电镀工艺初步确定为如下步骤：

[0072] (1)配制暗镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，配制成暗镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼
酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.075g/L。

[0073] (2)配制亮镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，配制成亮镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量
浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.075g/L，糖精的质
量浓度为0.6g/L、丁炔二醇的质量浓度为0.45g/L。

[0074] (3)对基体进行预处理，主要包括砂纸打磨、汽油/丙酮清洗和酸洗，去除钻头基体表面的毛刺和油污。

[0075] (4)预镀：将钻头基体作为电镀阴极、镍板作为电镀阳极、调节暗镍电镀液温度为2
45℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.0，调节电流密度为2A/dm ，根据制备要求，对基
体进行预镀一层镍金属。

[0076] (5)上砂镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀过程中使用的2
暗镍电镀槽中，将钻头基体埋入符合要求的金刚石磨粒中，调节电流密度为0.1A/dm ，根据
制备要求进行上砂镀，使金刚石磨粒初步粘附于基体上。

[0077] (6)加厚镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀和上砂过程中2
使用的暗镍电镀槽中，调节电流密度为2A/dm ，进行加厚镀，使金刚石磨粒被暗镍镀层包裹
1/3金刚石粒径。再将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在亮镍电镀槽中，调节温
2
度为45℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.0，调节电流密度为2A/dm ，继续进行加厚
镀，使金刚石磨粒进一步被亮镍镀层包裹1/3金刚石粒径。

[0078] (7)电镀完毕，将金刚石钻头出槽，用清水冲洗后晾干。

[0079] 在上述制备方法的基础上，对预镀和加厚镀时的电流密度、上砂镀时的电流密度、电镀温度、电镀pH进行优化，具体步骤和结果如下：

[0080] a、对预镀和加厚镀时的电流密度进行研究

[0081] 一般来讲，当其它条件不变时，过低的电流密度会导致低电流区难以长镍，提高电流密度可以提高镀层的平整性和长镍速度，但是过高的电流密度又会导致镍盐水解生成的
氢氧化镍被镀层夹杂，有可能导致镀层烧焦、粗糙以及与基体的结合力变弱等缺陷。

[0082] 研究人员通过最贴近实际应用的耐磨性指标考察电流密度的影响。样品准备和测试方法参考实施例2。为更好地对比实验结果，参照本实施例提供的制备方法，仅调节预镀
和加厚镀时的电流密度，每个样品依次在暗镍和亮镍电镀液中电镀同样的镀层厚度(10μ
m)，测试得到的镀层耐磨性，具体对比结果如下所示：

[0083] 表3预镀和加厚镀时电流密度对亮暗镍复合镀层质量的影响

[0084]

[0085] 由上表可以看出：当预镀和加厚镀时的电流密度为0.9‑1.5A/dm2时，镀层耐磨性2
较好，当电流密度为2.4A/dm 时，“/”表示镀层局部有烧焦变黑现象，因此将亮暗镍复合电
2 2
镀工艺中预镀和加厚镀时的电流密度确定为0.9‑1.5A/dm，其中优选为1.2A/dm。

[0086] b、对上砂镀时的电流密度进行研究

[0087] 上砂过程是电镀金刚石钻头中很关键的一个步骤。因为金刚石颗粒的包裹，影响了电镀液传质过程，一般上砂过程电流应适当降低，否则极易导致镀层烧焦。基体对于金刚
石颗粒的捕获全靠其表面沉积的镍对颗粒的镶嵌作用,当电流密度较小时,基体上析出的
镍在短时间内不足以把持住具有一定尺寸和质量的金刚石颗粒，所以共沉积的金刚石稀
疏。随着电流密度的逐渐提高，这种情况逐渐改善。然而当电流密度过大时，镍的沉积速度
显著加快，加上高电流密度时析氢对共沉积产生的负面作用，使得此时金刚石沉积效果重
新变差，不但容易稀疏，更容易产生镀层烧焦、金刚石颗粒堆积现象。

[0088] 采用上述(实施例3)制备方法，预镀和加厚镀时的电流密度采用优化出的1.2A/2
dm，调节上砂镀时的电流密度，测试金刚石上砂效果，具体对比结果如下所示：

[0089] 表4上砂镀时电流密度不同对钻头质量的影响

[0090]

[0091] 由上表可以看出：当上砂镀时的电流密度为0.2‑0.4A/dm2时，金刚石颗粒上砂均2
匀致密，因此将亮暗镍复合电镀工艺中预镀和加厚镀时的电流密度确定为0.2‑0.4A/dm ，
2
其中优选为0.3A/dm。

[0092] c、对电镀温度进行研究

[0093] 温度的变化对镀镍过程的影响比较复杂。一般认为，温度升高，镀层内应力低，但温度过高，将会发生镍盐水解，生成的氢氧化镍胶体使氢气泡滞留，造成镀层出现针孔，同
时还会降低阴极极化能力，最终影响镀层使用性能。研究人员仍然通过最贴近实际应用的
耐磨性指标考察温度的影响。样品准备和测试方法参考实施例2。为更好地对比实验结果，
2
样品准备时预镀和加厚镀时的电流密度采用优化出的1.2A/dm ，调节电镀时的温度，每个
样品依次在暗镍和亮镍电镀液中电镀同样的镀层厚度(10μm)，测试得到的镀层耐磨性，具
体对比结果如下所示：

[0094] 表5电镀温度不同对镀层质量的影响

[0095]

[0096] 从上表可以看出，当电镀温度为50‑60℃时，耐磨性较好，因此将电流温度设置为50‑60℃，其中优选为55℃。

[0097] c、对电镀pH进行研究

[0098] 理论和实践结果表明，镀镍电镀液中的pH值对镀层性能影响极大。当pH较低时，酸性较强，金属镍难以沉积，析出氢气增多，镀层也易产生针孔。当pH升高时，电镀液具有较高
分散能力和较高的阴极电流效率。然而当pH过高时，电镀液趋向碱化而混浊，镍离子生成氢
氧化镍沉淀，在沉积时造成晶格常数的变化而使镀层内应力增大，导致镀层性能降低。

[0099] 研究人员仍然通过最贴近实际应用的耐磨性指标考察电镀液pH值的影响。样品准备和测试方法参考实施例2。为更好地对比实验结果，样品准备时预镀和加厚镀时的电流密
2
度采用优化出的的1.2A/dm ，电镀温度采用优化出的55℃，每个样品依次在暗镍和亮镍电
镀液中电镀同样的镀层厚度(10μm)，测试得到的镀层耐磨性，具体对比结果如下所示：

[0100] 表6电镀液pH值对镀层质量的影响

[0101]

[0102]

[0103] 从上表可以看出，当电镀pH为4.0‑4.4时，镀层耐磨性较好，当pH为3.4时，“/”表示长镍困难，因此将电流pH设置为4.0‑4.4，其中优选为4.2。

[0104] 实施例4

[0105] 一种金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：

[0106] (1)配制暗镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，配制成暗镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为245g/L、氯化镍的质量浓度为38g/L、硼
酸的质量浓度为28g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.05g/L。

[0107] (2)配制亮镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，配制成亮镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为245g/L、氯化镍的质量
浓度为38g/L、硼酸的质量浓度为28g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.05g/L，糖精的质
量浓度为0.8g/L、丁炔二醇的质量浓度为0.6g/L。

[0108] (3)对基体进行预处理，主要包括砂纸打磨、汽油/丙酮清洗和酸洗，去除钻头基体表面的毛刺和油污。

[0109] (4)预镀：将钻头基体作为电镀阴极、镍板作为电镀阳极、调节暗镍电镀液温度为2
50℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.0，调节电流密度为1.5A/dm ，根据制备要求，对
基体进行预镀一层镍金属。

[0110] (5)上砂镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀过程中使用的2
暗镍电镀槽中，将钻头基体埋入符合要求的金刚石磨粒中，调节电流密度为0.2A/dm ，根据
制备要求进行上砂镀，使金刚石磨粒初步粘附于基体上。

[0111] (6)加厚镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀和上砂过程中2
使用的暗镍电镀槽中，调节电流密度为1.5A/dm ，进行加厚镀，使金刚石磨粒被暗镍镀层包
裹1/3金刚石粒径。再将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在亮镍电镀槽中，调节
2
温度为55℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.0，调节电流密度为1.5A/dm ，继续进行加
厚镀，使金刚石磨粒进一步被亮镍镀层包裹1/3金刚石粒径。

[0112] (7)电镀完毕，将金刚石钻头出槽，用清水冲洗后晾干。

[0113] 利用该实施例的制备方法制备得到的如实施例1所述的金刚石钻头，金刚石颗粒分布均匀致密，电镀结合剂兼具亮镍镀层硬度高和暗镍镀层应力低的优点，钻头的使用寿
命长、稳定性更好，加工的腔体内孔质量佳。

[0114] 实施例5

[0115] 一种金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：

[0116] (1)配制暗镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，配制成暗镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为275g/L、氯化镍的质量浓度为28g/L、硼
酸的质量浓度为32g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.1g/L。

[0117] (2)配制亮镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，配制成亮镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为275g/L、氯化镍的质量
浓度为28g/L、硼酸的质量浓度为32g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.1g/L，糖精的质量
浓度为0.4g/L、丁炔二醇的质量浓度为0.3g/L。

[0118] (3)对基体进行预处理，主要包括砂纸打磨、汽油/丙酮清洗和酸洗，去除钻头基体表面的毛刺和油污。

[0119] (4)预镀：将钻头基体作为电镀阴极、镍板作为电镀阳极、调节暗镍电镀液温度为2
60℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.5，调节电流密度为0.9A/dm ，根据制备要求，对
基体进行预镀一层镍金属。

[0120] (5)上砂镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀过程中使用的2
暗镍电镀槽中，将钻头基体埋入符合要求的金刚石磨粒中，调节电流密度为0.4A/dm ，根据
制备要求进行上砂镀，使金刚石磨粒初步粘附于基体上。

[0121] (6)加厚镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀和上砂过程中2
使用的暗镍电镀槽中，调节电流密度为0.9A/dm ，进行加厚镀，使金刚石磨粒被暗镍镀层包
裹1/3金刚石粒径。再将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在亮镍电镀槽中，调节
2
温度为60℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.5，调节电流密度为0.9A/dm ，继续进行加
厚镀，使金刚石磨粒进一步被亮镍镀层包裹1/3金刚石粒径。

[0122] (7)电镀完毕，将金刚石钻头出槽，用清水冲洗后晾干。

[0123] 利用该实施例的制备方法制备得到的如实施例1所述的金刚石钻头，金刚石颗粒分布均匀致密，电镀结合剂兼具亮镍镀层硬度高和暗镍镀层应力低的优点，钻头的使用寿
命长、稳定性好，加工的腔体内孔质量佳。

[0124] 实施例6

[0125] 一种金刚石钻头的制备方法，包括以下步骤：

[0126] (1)配制暗镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠，配制成暗镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量浓度为33g/L、硼
酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.75g/L。

[0127] (2)配制亮镍电镀液：在电镀槽中加入硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精和丁炔二醇，配制成亮镍电镀液，该电镀液中硫酸镍的质量浓度为260g/L、氯化镍的质量
浓度为33g/L、硼酸的质量浓度为30g/L、十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.075g/L，糖精的质
量浓度为0.6g/L、丁炔二醇的质量浓度为0.45g/L。

[0128] (3)对基体进行预处理，主要包括砂纸打磨、汽油/丙酮清洗和酸洗，去除钻头基体表面的毛刺和油污。

[0129] (4)预镀：将钻头基体作为电镀阴极、镍板作为电镀阳极、调节暗镍电镀液温度为2
55℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.2，调节电流密度为1.2A/dm ，根据制备要求，对
基体进行预镀一层镍金属。

[0130] (5)上砂镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀过程中使用的2
暗镍电镀槽中，将钻头基体埋入符合要求的金刚石磨粒中，调节电流密度为0.3A/dm ，根据
制备要求进行上砂镀，使金刚石磨粒初步粘附于基体上。

[0131] (6)加厚镀：将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在预镀和上砂过程中2
使用的暗镍电镀槽中，调节电流密度为1.2A/dm ，进行加厚镀，使金刚石磨粒被暗镍镀层包
裹1/3金刚石粒径。再将钻头基体作为电镀阴极，镍板作为电镀阳极，在亮镍电镀槽中，调节
2
温度为55℃，加入氢氧化钠或盐酸，调节pH值为4.2，调节电流密度为1.2A/dm ，继续进行加
厚镀，使金刚石磨粒进一步被亮镍镀层包裹1/3金刚石粒径。

[0132] (7)电镀完毕，将金刚石钻头出槽，用清水冲洗后晾干。

[0133] 下面从金刚石钻头电镀效果、加工腔体内孔后的孔壁质量以及钻头使用寿命三个发明，评估分析上述方案亮暗镍金刚石钻头工艺：

[0134] 毛细孔钻头、工艺钻头(结构均如实施例1所示)是当前所产钻头中使用频率较高的两种钻头，因此研究人员主要对比了分别采用暗镍电镀工艺和亮暗镍复合电镀工艺制备
的两种钻头的使用效果，具体如下：

[0135] (1)金刚石镀层电镀效果研究

[0136] 采用上述方法分别对粒度为30μm(相当于600/700目)、0.06mm(相当于325/400目)、0.1mm(相当于230/270目)的金刚石颗粒进行电镀，结果如图4所示。从图中可以看出，
通过精细的电镀工艺控制，尤其是电流控制，对于从粒度范围在30μm～0.1mm的金刚石均能
实现正常上砂，镀层中金刚石颗粒致密、分布均匀，无堆叠、缺砂等故障现象。

[0137] (2)腔体内孔加工质量对比

[0138] 将利用上述方法制备的金刚石钻头(30μm粒度)与外购钻头分别在腔体上钻孔后的孔壁图片，用于对比所产金刚石钻头加工效果。结果如图5所示。图5中，A为国内某单位的
钻头(金刚石粒度为325/400目)加工后的腔体毛细孔内壁图片(60×)，B为国内另一单位的
钻头(金刚石粒度为230/270目)加工后的腔体毛细孔内壁图片(60×)，C为本实施例加工出
来的钻头(金刚石粒度为600/700目)加工后的腔体毛细孔内壁图片(60×)。从图中可以明
显看出，本实施例制备的钻头加工的腔体毛细孔孔壁更光滑，麻点、道子、起伏等缺陷较少。

[0139] (3)亮暗镍金刚石钻头使用寿命分析

[0140] 根据多年来钻头在腔体加工工序的大量使用记录统计，从不同角度对比分析了采用亮暗镍金刚石电镀工艺加工的金刚石钻头的使用寿命变化。

[0141] a.钻头规定加工腔体数量对比

[0142] 申请人根据腔体加工工序平时对所产钻头的使用寿命的总结，按照质量管理条例，提炼并规定了每种钻头的允许加工腔体数量，形成了《腔体打孔金刚石钻头管理规定》，
用于指导钻头使用，该管理规定中的钻头规定加工腔体数量很大程度上反映了所产钻头的
使用寿命。申请人查阅了2015年6月和2018年12月的所产钻头管理规定，二者分别对应的为
暗镍电镀工艺和亮暗镍复合电镀工艺，规定中每根毛细孔钻头和工艺孔钻头加工腔体数量
变化如下表所示：

[0143] 表7钻头规定加工腔体数量对比

[0144]

[0145]

[0146] 从上表中可以明显看出，使用亮暗镍电镀工艺后，毛细孔钻头和工艺孔钻头规定加工腔体数量均有明显提升。单根毛细孔钻头规定最多加工腔体数量从1个增加到3个，提
升200％；工艺孔钻头规定最多加工腔体数量从1个增加到10个，提升900％。

[0147] b.钻头实际使用寿命对比

[0148] 为更好地对比亮暗镍电镀工艺对钻头使用寿命的实际提升效果，研究人员分别截取了一段时间内的《钻头使用记录表》，并统计了单根毛细孔钻头和工艺孔钻头的实际平均
加工腔体数量，统计结果如下表所示：

[0149] 表8钻头实际使用寿命对比

[0150]

[0151] 从上表中可以明显看出，使用亮暗镍电镀工艺后，毛细孔钻头和工艺孔钻头实际平均加工腔体数量都有明显提升。单根毛细孔钻头实际加工腔体数量从1.3个增加到2.8
个，提升115％；工艺孔钻头实际加工腔体数量从0.9个增加到8.7个，提升867％。

[0152] C.腔体加工工序年度钻头烧刀比例变化

[0153] 除了以上两种对比方式外，根据有据可查的腔体加工工序质量问题汇总，申请人还统计了2016年1月至2019年11月，每年加工的腔体总数量和因钻头烧刀造成的腔体不合
格数量及比例，其中亮暗镍电镀复合电镀工艺从2017年10月开始投入生产，结果如下表所
示：

[0154] 表9腔体加工工序年度钻头烧刀比例变化

[0155]年度 2016 2017 2018 2019
腔体加工总数量 100 178 306 388
不合格腔体数量 5 6 6 5

[0156] 因烧刀造成的腔体不合格比例如图6所示。从表9和图6中，可以很直观地看出，2016年至今的年度腔体加工总数量在逐渐增加，因钻头质量问题造成的腔体报废比例呈逐
年下降趋势，与此同时，单根钻头的规定加工腔体数量却在上升。说明随着钻头电镀生产从
暗镍电镀工艺向亮暗镍电镀工艺的过渡，所产钻头的使用寿命及稳定性在逐渐提升。

[0157] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。