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摘要：分析了将超声波清洗术引入金刚石钻头刚体镀前预处理工艺的适应性，对超声波处理的适用范围进行了分析，设计了生产流程和工艺。
关键词：超声波清洗， 电镀金刚石钻头， 酸化浸蚀， 除氧化皮
1 引言
低温电镀金刚石钻头技术已被越来越多地应用在钻头制造中。金刚石钻头的性能很大程度上取决于联接金刚石和刚体的胎体(见图1)。钻进过程中钻头受到扭、压、弯等多种作用，工作状态极其复杂。在电镀金刚石钻头工艺中，胎体与刚体的连接强度很大程度上决定于预处理工艺中刚体表面清洗的洁净程度，高清洁度的刚体表面可保证刚体与胎体间有良好的联接力。如连接强度达不到要求，会使胎体从刚体上脱离，导致整个钻头报废。生产中往往要经过若干道预处理清洗工序，但效果仍不尽如意，成为影响钻头质量的瓶颈。 （图片） 2 超声波清洗
超声波清洗作为一种物理清洗，对于像金属这样质地硬、声阻抗大(即声反射强)的材料清洗效果较好。在电镀金刚石钻头的预处理工艺中使用超声波清洗技术可收到很好的效果。电镀金刚石钻头预处理中的主要对象是：刚体表面的毛刺、型砂、油污以及氧化皮和锈蚀产物。超声波属于精清洗，主要处理对象是油污和氧化皮。
2．1 超声波的空化作用
超声波在介质中以疏密波的形式传播。当一定频率的超声波通过液体时，超声波稀疏阶段和稠密阶段产生的压强大于水的结构强度，在水中产生了“空化核”，表现为小气泡。小气泡与超声波发生共振，在超声波的稀疏阶段，小气泡膨胀变大；在稠密阶段，小气泡被压缩，直至崩溃。小气泡被突然压缩时，周围液体以极大速度来填充空穴，附近的液体或固体都受到巨大压力，即空化作用。空化作用及其附带作用是超声波清洗的主要作用机理，其中附带作用包括振荡产生的二阶现象等。
2．2 超声波除氧化皮
钻头刚体常采用45号碳素钢管。碳素钢加工时会形成结构复杂的氧化皮，从外至内有Fe3O4和FeO三层。占氧化皮90％ 的FeO质地疏松，保护作用较弱。Fez03有两种形式： 一Fez03在常温下形成，为立方结构，一般机械处理方法就可去除；a—Fez03在400~C以上形成，为菱形六面体结构，结构致密，可防止基体进一步氧化。Fe3O4由FeO和Fez03组成。超声波的主要清除对象是a—Fe203。常用去除a—Fez03的方法是酸性浸蚀，但无法达到很好的效果。下面讨论超声波和酸陛浸蚀的联合作用。（图片） 超声波去除氧化皮是在物理和化学联合作用下的结果。物理作用主要有：
(1)冲击震荡作用：小气泡在巨大的压力下膨胀压缩，必然会冲击刚体表面的油污。在声场中，媒质受声波作用所产生的最大冲击震荡加速度Amax为：（图片） 从上面的计算可以看出，超声波的空化作用会在表面产生巨大的冲击振荡作用。
(2)疲劳作用：超声波在很短的时间里就会对刚体表面进行一次冲击。常见的金属疲劳强度是其设计强度的10％ ～20％ ，氧化皮在超声波反复地冲击下，会出现疲劳破裂。
(3)环流作用：空化气泡本身在振荡过程中将伴随着一系列二阶现象发生(如辐射扭力)。辐射扭力在均匀液体中作用于液体本身，导致液体本身的环流(称之为声流)。它可使振动气泡表面处在很高的速度梯度和粘滞应力下，这种应力在兆帕数量级，足以破坏刚体氧化皮导致其脱落。
超声波清洗氧化皮是与酸性条件联合作用的。超声波强大的冲击振荡作用使刚体表面的氧化皮变得疏松、脱落，使浸蚀液能及时渗透到氧化皮内层进行反应。浸蚀液冲破了Fez03的阻挡，就会迅速渗过并不致密的FeO层与基体接触，产生的氢气会从氧化膜内部逸出，对氧化皮有机械顶裂和剥落作用。另外超声波还起着高速搅拌浸蚀液的作用，使处于刚体表面上已失效的浸蚀液离开刚体表面，而使有效浸蚀液及时补充到刚体表面与氧化皮反应。
2．3 超声波除油机理
超声波除油机理包括化学机理和物理机理。化学机理是采用水溶性的金属清洗剂，主要靠表面活性剂的作用，降低表面张力，对各种污垢产生渗透、乳化、增溶、分散、卷离、溶解等作用。物理机理是利用超声波能够强化表面活性剂的化学作用。
(1)乳化作用：空化作用中产生的冲击振荡力促使油污以极小的粒子分散渗透到清洗液分子间，形成乳状液，加速了油污的乳化作用。
(2)分散作用：空化作用中产生的高温效应(液体摩擦金属表面和空化气泡收缩产生的热量)和振荡作用把油污以极小微粒分散到清洗液中形成悬浮体，有助于油污微细地扩散于清洗剂中，加速了清除过程，防止脱离零件表面的污物重新附着在零件上。超声波的空化作用及其产生的机械、热学效应，使得无论在液体之问、固体之间还是在固液界面、气液界面都形成了新的物质特性，在不同程度上增大了表面活性剂的化学作用。
3 超声波清洗工艺
超声波清洗设备主要由超声波发生器、换能器和超声波清洗槽组成。超声波发生器作为换能器的功率源，为整个系统提供电磁振荡能量；换能器将发生器产生的电能(电磁振荡)转化为机械能(超声波振动)；清洗槽用于盛放清洗液和悬挂工件。超声波清洗的基本方式是槽内清洗，即工件浸入盛有清洗剂的清洗槽内，超声波发生器通过换能器产生的超声振动由清洗槽底部或清洗槽侧壁(或底部和侧壁兼有)辐射至清洗液内，进行超声波清洗。（图片） 由于超声波清洗是精清洗，因此钻头刚体必须先使用其它方法进行预清洗。用超声波清洗方法去氧化皮时只能使用间接法，即先把清洗介质和待洗刚体放入烧杯或其它耐蚀容器中，再将容器放入超声波清洗槽中清洗。
超声波清洗液选用水基清洗液三氯乙烯(C2HC13)。三氯乙烯具有极强的溶脂能力，而且常温下使用安全性高，表面张力低，清洗效果好；浸蚀液采用磷酸(H3VO4)，磷酸作为一种中强酸，与铁有很强的结合力，在任何浓度下都无氧化性，且挥发性低。
为了有效抑制“渗氢”的发生，在超声波清洗氧化皮的过程中应合理选用超声波振荡频率，以尽量减少金属发生“氢脆”的可能。对钻头刚体这种对“氢脆”比较敏感的材料可以用22～23kHz的超声波进行超声波浸蚀清洗。清洗液的空化阈值低，虽然气泡小，但清洗力高，适合清洗较大或者较重的工件。超声波清洗工艺流程如图4所示。（图片） 4 清洗效果
一般清洗后的效果检验采用室内检验与现场测试检验相结合的方法。对于电镀金刚石钻头，若采用现场试钻方法进行检验，需要统计大量数据，而少量数据随机性太大，检测成本较高，且地层情况易变，而钻头对地层有很强的适应性，故不易得到完全相同工况下的检测参数。（图片） 室内检验主要采用镀前检验，即在超声波清洗后、电镀前进行直接检测。水滴法是一种常用的定性评价洁净度的简易方法，其原理是使用接触角评价刚体的洁净度。滴在表面上的水滴体积一定时(可认为滴管中涌出的每滴水体积相同)，表面展开的水滴直径越大，接触角越小，洁净度越高。当被检体表面存在残留物质时，水滴在被检体表面呈现的形状不规则，则接触角大；表面水滴形状为圆形，则接触角小，清洁度高。若需定量检测，则需使用精密分析方法，如IRRS、FXS、EPMA等。
表1列出了常用去污清洗方式与超声波清洗方式的效果对比，表中数据由精密分析法FXS(X射线荧光分析仪)得到。由表1可见超声波加酸性浸蚀对金刚石刚体来说是一种最有效的预处理方法。（图片） 5 结语
超声波清洗简化了电镀金刚石钻头的预处理工艺，速度快，该方法除油效果显著，清洗效果好，环境污染小。超声波清洗和酸化浸蚀台的联合作用适用于作为对表面洁净度要求较高的电镀金刚石钻头的预处理工艺。
12/10/2010
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