淺談控制熱壓孕鑲金剛石鉆頭質量的幾方面措施

葉蘭肅南青民劉建福

(1.河北地礦局探礦技術研究院 河北燕郊 065201)

(2.國土資源部地質實物資料中心 河北燕郊 065201)

淺談控制熱壓孕鑲金剛石鉆頭質量的幾方面措施

葉蘭肅1南青民2劉建福1

(1.河北地礦局探礦技術研究院 河北燕郊 065201)

(2.國土資源部地質實物資料中心 河北燕郊 065201)

通過對熱壓孕鑲金剛石鉆頭原材料、金剛石參數、胎體配方、模具尺寸、鉆頭組裝及燒結工藝參數等采取有利的控制措施,使鉆頭質量具備穩(wěn)定而可靠的性能。

金屬粉末 金剛石 胎體配方 模具尺寸 鉆頭組裝 燒結工藝

1 影響熱壓金剛石鉆頭質量的因素

通過對熱壓金剛石鉆頭多年的研究和生產,發(fā)現影響鉆頭質量的因素主要有:金屬粉與金剛石的質量、鉆頭胎體硬度與巖石性質的適應性、石墨模具尺寸的精確度、燒結工藝參數的確定等幾方面。

2 控制鉆頭質量的幾點措施

2.1 結合劑材料的選擇

熱壓孕鑲鉆頭所用結合劑是一種比較復雜的多元體系,在實際工作中它屬于多元系固相燒結,即燒結溫度低于黏結成分熔點溫度,但黏結成分處于塑性或半熔融狀態(tài)。結合劑主要包括兩大類成分:

(1)骨架材料,常用的有 WC、YG6、YG3硬質合金混合粉,W粉等高熔點、高硬度、高耐磨性的金屬粉末材料。這些材料對金剛石的腐蝕性較小,線膨脹系數較小,具有一定的耐熱性;

(2)黏結金屬,起填充骨架間隙,粘牢金剛石的作用。常用的黏結金屬有鈷、鎳、錳、鋅和663青銅粉等。其中Co是不可缺少的黏結相。多元系粉末燒結溫度下,由于其中易熔成分(如Co)熔化后發(fā)生液相燒結,熔化了的Co濕潤 WC顆粒,并使WC顆粒表面熔融,使得顆粒相互靠攏,從而促進鉆頭的收縮與致密化過程。

2.1.1 選擇的結合劑必須滿足下列的基本要求

①結合劑各組分高溫下不與金剛石起任何化學作用;

②結合劑合金的線膨脹系數應與金剛石相近;

③結合劑必須有足夠的耐磨性和強度;

④結合劑合金有良好的導熱性。

2.1.2 防止結合劑粉末氧化、臟化

制造金剛石鉆頭所選用的結合劑粉末粒度一般在200目以細,有些結合劑粉末極易氧化和臟化。對于這些結合劑粉末日常儲存一定要做到密封存放,即:新購買的結合劑粉一定是小袋真空包裝(約1～2kg),當打開新的一袋后,要盡早用完,剩余部分密封好放入干燥器皿中,做到既防氧化又防潮、防臟的目的。金屬粉被氧化后,其燒結活性大為降低,會嚴重影響鉆頭的質量性能。當出現異常情況如:氧化、受潮、臟化等,為了保證金剛石鉆頭的質量,應該禁止使用或及時進行還原處理后才能使用。否則,使燒結出的鉆頭會出現裂紋或掉塊現象等。

2.1.3 鉆頭鋼體與石墨的選擇

因碳鋼熱性能變化不大,并且有足夠的強度,作為鉆頭鋼體的原料經常被采用(例如45號鋼)。熱壓法制造孕鑲金剛石鉆頭要求采用高強度石墨,選用的石墨一定具備高強度、高致密、氣孔少的特點。

2.2 鉆頭胎體配方要做到與鉆進巖層相適應

(1)金剛石鉆頭胎體硬度的確定

金剛石鉆頭胎體的硬度一般根據鉆進巖石的硬度及研磨性確定。在強研磨性及硬、碎、脆地層采用高硬度胎體;在硬、弱研磨性或中研磨性地層采用中低硬度胎體。根據多年對熱壓孕鑲金剛石鉆頭的研究與生產實踐,確定鉆頭胎體硬度時一定要緊密結合鉆進的礦區(qū)巖石性質而定。當某種胎體硬度配方使用效果突出,就認為這種胎體硬度配方適合所有的巖石,這是一種錯誤的認識。一定與所施工礦區(qū)的用戶保持聯系,了解鉆頭使用情況(比如:時效、使用壽命等)。同時也要關注鉆進規(guī)程參數(鉆壓、轉速、泵量等),在綜合考慮以上因素情況下來確定鉆頭胎體的硬度配方并根據實際應用情況進行及時調整,見下表。

鉆頭胎體硬度及適用地層

去年我院生產的繩索Φ77×46金剛石鉆頭,在唐山司家營礦區(qū)進行鉆進施工并取得了良好效益。該礦區(qū)礦石類型分為磁鐵石英巖和赤鐵石英巖兩大類。礦石礦物主要以石英為主,次為陽起石、透閃石、普通角閃石和輝石。礦石以細粒變晶結構為主,其次為纖維粒狀變晶結構。巖石硬度8～9級,有的高達10級左右;非礦層巖石的研磨性中等,礦層的研磨性為弱研磨性。根據鉆進巖石情況,我們及時調整配方,經十多種配方的室內試制;硬度、強度測試、觀測合金化情況;把持金剛石的能力等,再積極進行野外的跟蹤試驗,最后篩選出0806號配方,該配方的特點:鉆頭胎體有較低的耐磨性;強度較高;很好的對金剛石的把持力,較強的適應廣泛性(礦層、非礦層都比較適應)。因確定的鉆頭胎體配方與鉆進巖石性質相適應,在實際施工中取得了良好的效果,鉆頭平均時效達3.05m/h,使用壽命約70m。

(2)金剛石參數的優(yōu)選

播種后，分別記載各品種的出苗期，并在出苗后觀察統計各生長階段的生長勢、病蟲害發(fā)生情況和倒伏情況；在大麥成熟后，每小區(qū)隨機抽選10株進行考種，測量并記載其株高、穗長、小穗數、穗粒數等性狀，同時將每個小區(qū)分開，單收、單脫、單計產，并折算產量。試驗數據采用Excel2003和SPSS統計軟件進行分析處理。

金剛石的參數主要包括粒度、強度、濃度,如何選擇性能優(yōu)良的金剛石關鍵是要把握好參數的選擇。孕鑲金剛石鉆頭所用金剛石的粒度一般為30/45～80/100目、品級為 MBD12、SMD 型,金剛石濃度的確定必須根據巖粉和砂粒的平均粒徑大小來確定,應保證金剛石顆粒在胎體間的平均距離不大于巖粉和砂粒的平均粒徑,其濃度一般為45～100%不等。金剛石參數的確定與所鉆進巖石硬度及研磨性相適應,如鉆進硬-堅硬、弱研磨性巖石時,宜采用細粒、高強度、低濃度金剛石。在唐山司家營礦區(qū)進行鉆進施工,根據該礦區(qū)的礦區(qū)巖石性質,對金剛石參數的確定選擇較高品級的金剛石——MBD12(SMD);金剛石粒度為50/60目;金剛石的濃度為15%為宜,同時設計較大的水口結構,鉆頭在鉆進過程中達到比較高的效率(時效達到3.5m/h)。

3 控制好鉆頭模具尺寸的精確度

3.1 控制鉆頭模具尺寸的精確度的目的

一是控制鉆頭胎體的尺寸精度;二是控制鉆頭胎體性能。

3.2 鉆頭幾個關鍵尺寸的確定與控制

(1)鉆頭石墨底模內徑的確定

鉆頭底模是成型粉末料壓制和燒結腔,直接決定鉆頭形狀、尺寸、精度,底模尺寸是整個模具配合優(yōu)先考慮的基礎。其主要尺寸確定,確定底模內徑最為關鍵,內徑的確定應滿足結合劑收縮后所需鉆頭外徑的需求。熱壓法燒結鉆頭石墨底模內徑可參照下式確定:

式中:D為鉆頭名義尺寸,mm;tn為燒結溫度,℃;to為室溫(取20℃);α石為燒結溫度下石墨的線膨脹系數,5.4×10-8/℃;α胎為結合劑材料的收縮系數,一般可視作和線膨脹系數相等。

(2)鉆頭石墨芯模外徑的確定

鉆頭芯模外徑決定了鉆頭的內徑尺寸,因此,芯模直徑的確定,必須保證鉆頭成型收縮后滿足所要求的內徑尺寸。它與鋼體內徑的配合間隙力求盡可能小為宜,以免導致在熱壓過程中成型料中結合劑的液相流失。

式中:d為鉆頭內徑名義尺寸,mm;h2為芯模的高度,要大于結合劑壓實后的高度mm;α石為石墨的線膨脹系數,5.4×10-6/℃;α胎為結合劑的線膨脹系,15×10-6/℃;tn為燒結溫度,℃;t0為室溫(取20℃)。

(3)鋼體外徑與模具配合間隙的控制

式中:α3為鋼體的線膨脹系,對 45﹟鋼材,α3=(14～15)×10-6/℃。

4 控制好鉆頭的組裝

4.1 組裝前的檢查

組裝鉆頭前首先要檢查模具的完好程度;其次要準確測量芯模直徑和高度、鋼體的內外徑和高度,使其尺寸達到設計的要求;最后一定要把石墨模具、底環(huán)、水口塊上的石墨粉清理干凈,防止帶入胎體粉料中。

4.2 金剛石與胎體粉料的均勻混合

用適量的酒精把金剛石浸透后,倒入胎體粉料,經過均勻攪拌,使金剛石與胎體粉料均勻地混合在一起。防止使用酒精過多或過少,避免使金剛石產生富集現象;攪拌時間不宜過長,酒精易蒸發(fā)導致金剛石出現分選。

4.3 聚晶的粘結與插放要適宜

當鉆頭是軟胎體時,采用粘結的方式,使聚晶距含金剛石胎體料一定的高度;鉆頭是硬胎體時,采用把聚晶貼芯壁和模具內壁插入含金剛石胎體料中一定的深度。這樣既能使聚晶很好的起到保徑的作用,又能使金剛石很好的出刃,從而提高鉆進效率。

4.4 鉆頭鋼體的結構與凈化

為了加強鋼體和胎體連接部分燒結的結合強度,能夠承受鉆進中的扭力和沖擊力,把鋼體與胎體連接部分做多種不同的形狀來增加胎體料和鋼體間的接觸面積或機械鑲嵌力。鋼體壓入模具前一定仔細清洗,先用去污粉洗去油污并擦干凈,再用丙酮清洗,晾干;鋼體銹斑嚴重時,可用強酸進行去銹處理。以保證胎體和鋼體具有足夠的連接強度。

5 燒結工藝要嚴格控制

孕鑲金剛石鉆頭燒結參數主要包括燒結溫度,壓力,升溫,冷卻速度,保溫時間等。燒結溫度根據胎體硬度不同來具體確定,根據配方不同,燒結溫度為黏結劑中主要成分熔點的75～90%,鉆頭的升溫時間一般在5～20分鐘,保溫時間可在5～15分鐘,鉆頭直徑越大燒結升溫時間和保溫時間一般要求就長些。

壓制是熱壓過程的主要工序,是決定胎體質量的關鍵環(huán)節(jié),壓制應做好以下幾點:

(1)初壓:初壓力取全壓力的20～30%,使粉末壓實,要避免初壓過大,影響粉末脫氣。

(2)中壓:溫度升至800℃以后,粉末開始明顯收縮,此時壓力應加大到全壓力的60～70%,并保持此壓力直到設定的燒結溫度,避免壓力滯后于胎體收縮的現象出現。中壓保溫時間一般3分鐘。

(3)達到燒結溫度后,加至全壓,以促使胎體致密化的進行。

通過以上幾方面的有效控制,使熱壓孕鑲金剛石鉆頭具備了穩(wěn)定可靠的性能并使其達到高時效長壽命的目的。

1 劉廣志.金剛石鉆探手冊.地質出版社,1991

2 趙爾信.金剛石鉆頭與擴孔器.地質出版社,1989

3 萬隆等.超超硬材料與工具.化學工業(yè)出版社,2006

2009年12月29日)