作为一种重要的电镀金刚石工具，电镀金刚石钻头技术获得较快地发展与广泛的应用，且产品质量受到用户的充分肯定。尽管如此，采用电镀方法生产金刚石钻头仍然有很大的潜力可以发掘。通过对比分析目前的电镀金刚石钻头厂家的生产配方和工艺，发现：(1)其生产配方和工艺仍然较单一，对一些特殊地层的钻进适应性差；(2)电流密度较小，钻头生产周期较长；(3)镀层中通过提高钴的含量来调整硬度，消耗大，成本高，质量难以控制。因此研究低成本、较强适应性的新型金刚石钻头的生产配方和工艺尤显重要。 电镀金刚石钻头一般采用金属镍或镍-钴合金作为胎体材料。表面工程中镀镍的基础研究和应用研究已有较长的历史和基础，但金刚石钻头所要求的镀液和镀层的性能与表面工程领域研究的镀液和镀层的性能有着较大的差别。因此，在电镀金刚石钻头制造工艺研究中，需要更多有针对性的研究。表面工程中通过添加少量的添加剂改善镀层质量的方法对于工期较长的电镀金刚石钻头制造不适应，产品质量难以控制，镀液也难以维护。虽然氯化铵在镀锌工业中已有应用，但目前在电镀金刚石钻头的领域应用研究得不多，而且有关氯化铵对镀层机械性能影响及其机理的研究也很少。本文的目的是通过研究氯化铵在镍沉积中的电化学机理，调节氯化铵用量来调节铵盐镍基电镀金刚石钻头的胎体金属的机械性能，以期得到与岩层有较广适应性的、简单方便、低成本的新镀种的铵盐镍基电镀钻头。 本文通过微机控制电化学分析系统对铵盐镍基胎体镀层的电化学机理进行研究，得到：随着硫酸镍用量的增加，对应于镍阴极还原的析出电位正移，阴极放电电流增加；随着氯化铵用量的增加，总趋势是对应于镍阴极还原的析出电位负移，阴极放电电流减少；随溶液pH值增大，对应于镍阴极还原的析出电位负移，阴极放电电流减小：随着温度降低，对应于镍阴极还原的析出电位负移，阴极放电电流减少，镍沉积的极化增大，将会使镀层晶粒变小。分析比较在镀液中加氯化铵和不加氯化铵的循环伏安曲线和单电位阶跃电流时间暂态曲线，可见在硫酸镍镀液中是否加入氯化铵，其电极过程都由电化学步骤控制，氯化铵的加入没有改变阴极过程的控制步骤。镍在玻碳电极上的电结晶都按二维瞬时成核方式进行，但氯化铵可促进晶粒在垂直于基体方向上的生长。 在电化学理论的指导下，进行试验和理论分析以期获得铵盐镍基电镀金刚石钻头的最佳电镀工艺条件，来解决当前电镀金刚石钻头中存在的一些问题，达到电镀金刚石钻头的快速、低成本的优质生产。通过分析，选择氯化铵添加量、六水硫酸镍含量、温度、电流密度、镀液pH为影响镀层性能、质量和镀液性能的因素，每个因素各研究了四个水平，试验采用正交试验设计方法安排。 金属镀层的性能是由镀液组成及电镀工艺参数决定的。针对电镀金刚石钻头的特殊性，分析认为，用于制造金刚石钻头的镀液要具有良好的分散能力，较好的深镀能力；镀液成分尽量简单，便于维护；而在镀液稳定性、电流效率等方面的要求则是与表面工程一致的。因此，铵盐镍基电镀金刚石钻头的镀液只含有氯化铵、六水硫酸镍、硼酸和少许的十二烷基硫酸钠，镀液成份简单，便于维护。在镀液性能方面，本文主要考虑了镀液分散能力、深镀能力、电流效率等指标。分散能力采用远近阴极法测定。深度能力采用内孔法测定，电流效率采用铜库仑计方法测定。在铵盐镍基电镀金刚石钻头工艺中，可许用的电流密度比普通电镀金刚石钻头镀镍液的许用电流密度要高。氯化铵添加量、溶液pH值、镀液温度、镀液中硫酸镍的含量对铵盐镍基电镀液的性能都有影响，分散能力和深度能力都随氯化铵的增加而增加。和普通镀镍液相比，铵盐镍基镀液在较高的pH值和温度及较大电流密度时具有良好的分散能力和电流效率，较好的深度能力；氯化铵的加入，能和阴极附近的氢氧根离子反应生成氨，和镍离子结合形成络合物，增加了阴极的极化，改善了镀液的性能，但其具体的添加量不同，将会影响镀层的机械性能。因此，可以结合铵盐镍基电镀钻头的室内和野外试验，通过调节氯化铵的浓度来制造适应钻进不同岩层的铵盐镍基电镀金刚石钻头。 镀层机械性能的优劣直接关系到镀层的实用价值与应用范围，因此在镀层的研究与应用过程中需要对它们进行测试，以确定合理的工艺条件。由于工作条件和作用不同，作为钻头胎体材料的镀层应具备的性能也与普通镀层不同。本文通过分析，选择镀层硬度、耐磨性、镀层与基体的结合强度、内应力和孔隙率等性能作为研究指标，并对镀层的微观结构和表面形貌及镀层对金刚石的包镶强度进行了研究。 镀层的硬度采用洛氏硬度计测定。结果表明，随着镀液中氯化铵浓度、硫酸镍浓度的增加，镀层的硬度增加；随着镀液温度的增加，镀层的硬度也增加；pH值从4.8到5.2，镀层的硬度逐渐增加，但随后下降。 镀层的耐磨性以试样磨损前后的质量差，即失重(也叫磨损量)来衡量。镀层的磨损试验结果表明：氯化铵的用量从7g/L增加到19g/L时，镀层的磨损量减小，即镀层耐磨性增强，但当氯化铵浓度为25g/L时，所得镀层的磨损量比19g/L氯化铵时的磨损量稍大；镀层的磨损量随镀液的温度升高而变小，但在40～45℃时镀层的磨损量变化不大；镀层的耐磨性随镀液中硫酸镍的用量增加而增高，其中六水硫酸镍浓度为280g/L时镀层的耐磨性最好；镀层的磨损量随铵盐镍基镀液的pH值增大而减小，但当pH在5.0～5.2时镀层的磨损量变化不大。 镀层的内应力采用弯曲阴极法测试。探讨了氯化铵的用量对镀层的内应力的影响。测试结果表明，增加氯化铵的用量，可降低镀层的内应力。 孔隙率对金刚石胎体层的强度和胎体对金刚石的包镶强度有很大的影响。本文采用浸渍法测定了不同氯化铵浓度时镀层的孔隙率。测试结果显示，随氯化铵浓度的增加，镀层的孔隙率降低。 镀层的脆性影响金刚石的出刃和对金刚石的包镶。本文采用液压万能材料试验机对不同浓度氯化铵的镍镀层进行拉伸试验并使其断裂，比较其所用载荷的大小，并分析断口形貌，来定性比较镀层的脆性。实验结果表明，随氯化铵的浓度从7 g/L到19 g/L时，镀层的脆性随之有一定的增加，当氯化铵浓度超过25 g/L时脆性增大的幅度明显变大，这可能是与当氯化铵浓度过大时易生成镍铵的复盐而在镀层中夹杂有关。 镀层与基体金属的结合强度是指将单位表面积上的金属镀层剥离金属基体所需的力。电镀金刚石钻头工作时工作层的破坏(主要指钻进时胎块脱落)，主要是由钻头的回转扭矩产生的剪切力引起的，所以选用直接剪切试验来测试工作层和钢体间的结合强度。在研究中，主要考察了氯化铵的用量对镀层与基体结合强度的影响。由测试结果可以看出，镀层与基体间的结合强度随氯化铵用量的增加，镀层与基体的结合力增强。 采用X’Pert PRO DY2198型X射线粉晶衍射仪测定镍镀层的微观结构，并利用镀层的XRD图谱分析了镍镀层的结晶取向和各晶面的尺寸，表明随氯化铵浓度的增加，有利于镍镀层沿(200)面择优取向生长；随着氯化铵浓度的增加，各晶面的晶粒尺寸逐渐减小。研究证明加氯化铵有利于镍电沉积颗粒的细化。这可能主要与氯化铵增大阴极极化，使得电沉积反应在较高的过电位下进行，从而镍沉积颗粒减小；另外，也有可能铵离子与镍晶格中的自由电子通过引力作用进入到镍晶格中而改变了其微观结构，从而使晶粒细化，提高了铵盐镍基镀层的硬度和耐磨性。从扫描电子显微镜相片也可以看出镀层晶粒球化，结晶细致。对含金刚石镀层的扫描电镜分析结果表明，镀层对金刚石的包镶致密。 采用正交试验设计方法和综合评分法对试验结果进行了分析，得到了优选配方与电镀工艺。用优选配方和工艺研制出φ41/27室内试验用电镀金刚石钻头和采用普通镍-钴配方的钻头进行了室内的对比试验，试验结果为铵盐镍基钻头钻进时效平均达到1.94m/h，钻头的磨损约为0.092mm/m，钻头平均寿命可达54.60m，而镍-钴胎体钻头的钻进时效为1.76m/h，钻头的磨损约为0.095mm/m，钻头的寿命可达52.33m。由此可知：两种钻头的使用寿命相差不大，但钻进速度有明显的差别，铵盐镍基电镀液金刚石钻头的钻进时效要比镍-钴胎体钻头高0.18m/h，即约高10％。在室内试验的基础上，根据所选工地的地层情况，对优选配方作了研究与调整，试制了两个φ75mm/54.5mm铵盐镍基电镀钻头，在江西宁都地区某矿区采用单动双管提钻取芯钻进技术单动双管金刚石钻头取芯钻进。试验结果为2个钻头共进尺139.35m，钻头平均寿命69.67m，最高寿命71.50m，平均时效1.78m/h。从两个钻头的进尺分析，钻进速度稳定；钻头的磨损正常、均匀，取得了好的钻进效果指标，说明本研究达到了预期目标。试验表明，开发的铵盐镍基电镀金刚石钻头制造工艺具有钻头生产周期可缩短为原来的1/2、钻头钻进时效高和适应性能好等优点。 总的来说，本文通过试验研究和理论分析，找到了铵盐含量的改变对胎体性能变化的规律，确定了铵盐镍基电镀金刚石钻头制造工艺；研究了一种通过调节氯化铵浓度来调节电镀钻头对岩层适应性的电镀钻头的简便方法，并通过室内和野外试验进行了验证。但电镀金刚石钻头胎体材料的磨损与硬度间的匹配关系，尤其是针对硬而致密岩层钻进时利用胎体的脆性让金刚石及时出刃的定量表征手段还需进一步研究：胎体材料与金刚石的匹配性也是一个有待进一步深入研究的重要问题。还需要通过更多的室内和野外试验来探索确定硫酸镍与氯化铵的用量比与不同岩层钻进的相应关系，为质量稳定、低成本的铵盐镍基电镀钻头的应用推广提供更多依据。