作为一种重要的金刚石工具,电镀金刚石钻头已经过四十多年的发展,其制造水平有了很大的提高,但还存在着许多问题。例如:缺少较好的钻头质量评价体系来表征胎体、金刚石、地层三者之间的匹配关系;对胎体材料性能缺少全面的认识,并未正真建立胎体材料性能和钻头钻进性能的直接联系;对金刚石和胎体材料的协同磨损规律认识模糊,缺少定量研究。本文目的是厘清胎体材料性能与钻头钻进性能之间的关系,确定影响钻头钻进性能的决定性因素,为胎体材料的选择、研发和钻头的优化设计提供理论依据,进而拓宽电镀金刚石钻头的应用。本文针对镍、钴和镍钴合金这三种电镀金刚石胎体材料,设计了10组镀液配方,制作了片状和柱状金属镀层试样。首先,对比了三种胎体材料显微形貌、硬度、塑性系数、抗拉强度的差异。通过摩擦磨损实验确定了胎体的磨损性能,并分析了胎体每项基本力学性能对胎体耐磨性的影响规律及关联度。然后,制作了10组电镀金刚石钻头,针对坚硬致密中等研磨性的花岗岩进行了室内微钻实验,记录了每组钻头的钻进时效。利用激光扫描共聚焦显微镜,对比了每个钻头的磨损形貌并采集了唇面磨损形貌三维点云数据。采用投影法对点云数据进行处理和计算,得到了每个钻头单位进尺的胎体材料磨损量。最后,通过多元线性回归统计分析方法,建立了胎体性能和钻头钻进性能之间的关系,并利用灰色关联分析法得出每项胎体性能与钻头钻进性能的关联度。经过胎体性能测试、微钻试验和计算,主要得到了以下结论:胎体材料的硬度与胎体材料的微观形貌显著相关,镀层颗粒尺寸越细,胎体材料的显微硬度越大。无添加剂镍基、钴基和镍钴合金胎体材料的硬度最小,而加入添加剂(缬氨酸、糖精等)后的三种胎体材料镀层颗粒均得到细化,硬度增加。胎体材料的塑性与硬度大体上负相关,无添加基础镍基和镍钴合金胎体材料的塑性系数最大。加入添加剂后的三种胎体材料的塑性系数大幅下降,均不超过2。胎体材料的摩擦磨损机理主要为表面疲劳磨损和磨粒磨损,磨损机理由材料自身硬度、塑性、工况和对磨材料共同决定。无添加镍基和镍钴合金胎体材料的耐磨性最弱,加入添加剂后耐磨性增强。三组钴基胎体材料的质量损失都较小,耐磨性较强。胎体材料的硬度、塑性系数和抗拉强度这三种性能与胎体材料的磨损性能的相关性系数为0.800,仅根据以上三种胎体性能不足以准确描述胎体材料耐磨性的差异。三项性能中,抗拉强度是决定胎体耐磨性强弱的最主要因素,其次是硬度及塑性。10组钻头的唇面磨损形貌受到胎体材料自身硬度、弹塑性和耐磨性大小的显著影响。无添加镍基、镍钴合金钻头磨损形貌以平行于滑动方向的塑性犁沟为主;6组加入添加剂的胎体材料性能以硬脆性为主,磨损表面以带有金属光泽的擦痕形貌为主,并能观察到明显剥落坑。无添加基础镍基、钴基和镍钴合金钻头相较于同种类中有添加剂的钻头,均表现出更高的钻进时效。金刚石出刃高度大体上与钻进时效正相关。无添加镍基础钻头对本文采用的坚硬致密中等研磨性花岗岩的适应性最好,胎体磨损速度最快、金刚石出刃程度最高,钻进效率最快。硫酸钴20g/L加糖精镍钴合金钻头与岩石适应性最差,胎体磨损速度最慢,钻进效率最低。胎体材料性能与钻头钻进性能相关性高度显著,相关性系数高达0.988。单位进尺胎体磨损量、塑性和耐磨性是钻头钻进性能的三个最显著影响因素。