金屬結(jié)合劑強度和微形變對薄壁工程鉆性能的影響(上)

張許紅,侯俊彥,王成軍,李忠林,林強

(河北省金剛石工具工程技術(shù)研究中心,河北石家莊 050035)

金屬結(jié)合劑強度和微形變對薄壁工程鉆性能的影響(上)

張許紅,侯俊彥,王成軍,李忠林,林強

(河北省金剛石工具工程技術(shù)研究中心,河北石家莊 050035)

業(yè)內(nèi)以燒結(jié)致密度、硬度和抗彎強度對金屬基金剛石工具的工藝性予以表征,這種“靜態(tài)”指標(biāo)評價方式簡易但不精準(zhǔn),尤其是對工具的使用性能設(shè)計無指導(dǎo)意義。作者嘗試在薄壁工程鉆上以抗彎載荷-撓度這一“動態(tài)”指標(biāo),模擬實際工況中工具的金屬結(jié)合劑受力行為,輔以電鏡形貌檢測,尋求一種不必進(jìn)行鉆切試驗即可量化評價工具工藝與使用性能的方法。文章重點研究了Co單質(zhì)及Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10霧化預(yù)合金粉三種結(jié)合劑隨燒結(jié)溫度的不同其抗彎載荷-撓度曲線產(chǎn)生的變化,對在實際工況中的薄壁工程鉆受力行為進(jìn)行分析,推導(dǎo)出金屬結(jié)合劑強度和撓度公式,并通過鉆切試驗對其進(jìn)行驗證。

金屬結(jié)合劑;薄壁工程鉆;抗彎載荷;撓度

1 前言

通用金剛石工具涵蓋薄壁工程鉆、圓鋸片、磨盤三大類產(chǎn)品,其鉆、切、磨的功用可視為對材料的“點、線、面”加工。以薄壁工程鉆為例,因生產(chǎn)工藝的差異,有熱壓燒結(jié)、中頻燒結(jié)、自由燒結(jié)、電鍍和釬焊的產(chǎn)品的不同。其中使用熱壓燒結(jié)工藝生產(chǎn)的鉆頭最為普遍,其刀齒需通過高頻焊或激光焊與鉆管聯(lián)接,而中頻燒結(jié)、自由燒結(jié)、電鍍和釬焊等工藝與之區(qū)別在于可實現(xiàn)鉆頭的一次成型。就鉆孔方式而言分為濕鉆和干鉆,而國內(nèi)以濕鉆工況為主,有手持和臺鉆之分,液壓和電動施力為新方式,尚未普及。常見的鉆孔設(shè)備功率1～5k W,轉(zhuǎn)速100～2000r/min,鉆頭的規(guī)格15～450mm;一些石材鉆產(chǎn)品,需與(變速)角磨機(jī)配用,其功率0.5～2.5k W,轉(zhuǎn)速3000～11000r/min。薄壁工程鉆主要用于機(jī)場跑道、公路、鐵路、鐵路橋隧道等建筑構(gòu)件的鉆孔,其加工對象包括鋼筋混凝土、磚墻、耐火材料、石材、陶瓷、玻璃等,而加工鋼筋混凝土是最為常見的工況。因加工對象多為非勻質(zhì)材料,其受力復(fù)雜,需承受較大的沖擊載荷,會造成金屬胎體組織的微形變。

薄壁工程鉆的刀齒由金剛石磨粒和金屬結(jié)合劑燒結(jié)而成,結(jié)合劑本身雖不具備切割能力,但其機(jī)械性能優(yōu)劣卻影響胎體對金剛石磨粒的把持,進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭的使用性能迥異。關(guān)于胎體配方的設(shè)計方案眾多,不再贅述,但使材料的去除率、胎體的磨損、金剛石的消耗三者之間形成最佳匹配是公認(rèn)的設(shè)計原則。薄壁工程鉆在鉆切材料時,金剛石顆粒會受到法向和切向兩個作用力,此力超過金屬結(jié)合劑的屈服強度后,孕鑲金剛石的胎體結(jié)合劑微形變會明顯增大,因而造成金剛石從結(jié)合劑中脫落[1]。黃漫等[2]研究了金剛石與胎體間的機(jī)械包鑲力,并用三點彎曲法測試胎體的彈性模量,認(rèn)為提高胎體的彈性模量可以增大胎體對金剛石的包鑲力。孫毓超[2]研究發(fā)現(xiàn)影響金剛石工具質(zhì)量的首要因素是結(jié)合劑的耐磨性和變形性,適度的磨損性能和不易變形是保證工具質(zhì)量的重要因素。撓度可以表征材料抵抗彈性變形的能力,金屬結(jié)合劑的撓度需設(shè)計在一定范圍內(nèi),才能充分發(fā)揮孕鑲金剛石的作用。程文耿[3]提出金剛石工具在加工工件的過程中,抵抗由沖刷產(chǎn)生的“沖蝕磨損”時,起主要作用的是結(jié)合劑的“韌性”,韌性高的結(jié)合劑能有效地消耗“巖粉流”的沖擊功,既起到抑制系統(tǒng)溫度上升的作用,又因其較好的“退讓性”而減少了自身的磨損程度,此外也避免了金剛石受到?jīng)_擊力時,因工具結(jié)合劑產(chǎn)生永久性的塑性變形而發(fā)生位移,被逐漸地松動而導(dǎo)致金剛石過早脫落的問題。

綜上所述,結(jié)合劑自身的強度和變形性對金剛石工具的使用性能具有很大的影響。筆者采用三點抗彎試驗,研究了燒結(jié)溫度對鈷基結(jié)合劑及Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10兩種全預(yù)合金粉結(jié)合劑的強度和變形性的影響,分別以抗彎載荷和撓度來表征結(jié)合劑的強度和變形性并建模,推導(dǎo)出數(shù)據(jù)公式,并通過鉆切試驗予以修正。

2 試驗原材料與方法

2.1 試驗原材料

優(yōu)質(zhì)的薄壁工程鉆大多采用鈷基結(jié)合劑,因其會表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨匹配性、高的金剛石把持力、有益于工具鋒利度及加工壽命的提升,因此本試驗選用鈷和鈷基預(yù)合金粉作為試驗對象。

所用鈷粉采用溶解-沉淀草酸鈷-還原法制備, Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10采用水霧化法生產(chǎn),其理化性能參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 粉料理化性能指標(biāo)Table 1 physicochemical properties index of powders

2.2 試驗方法

按照粉料的理論密度分別計算料重,冷壓成型制成(39.6×3.1×16)mm的試驗坯體后,裝入石墨模具中采用真空熱壓燒結(jié)機(jī)燒結(jié)成40mm×3.2mm× 8mm的試驗樣塊,在砂紙上進(jìn)行拋磨,待測其物理性能。采用Co、Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10作為鉆頭刀齒的結(jié)合劑,加入同樣粒度、級別和濃度的金剛石,在不同的燒結(jié)溫度下制作Ф63規(guī)格薄壁工程鉆刀齒(24mm×3.7mm×10mm),高頻焊接到鉆管上,開刃后進(jìn)行鉆切試驗。試驗設(shè)備為Bosun Z1Z-200M型鉆機(jī)(功率:3500W,負(fù)荷轉(zhuǎn)速: 520r/min),加水臺鉆四層Ф18鋼筋混凝土試驗塊,混凝土標(biāo)號為C40,厚度為24cm。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 燒結(jié)溫度對金屬結(jié)合劑抗彎載荷-撓度曲線的影響

目前,采用熱壓燒結(jié)工藝生產(chǎn)的金屬結(jié)合劑金剛石工具的燒結(jié)溫度一般在700℃～900℃,燒結(jié)壓力也一般采用15～40MPa。本次試驗的燒結(jié)溫度選取700℃、750℃、800℃、850℃和900℃5個水平,燒結(jié)壓力為30MPa,保溫時間為2min。采用LWD-100電子拉力試驗機(jī)測試樣塊的抗彎載荷和撓度,試驗加載速度為5mm/min,兩支點的間距為25.4mm。試驗結(jié)果分別見圖1、圖2和圖3。

圖1 不同溫度水平對Co結(jié)合劑抗彎載荷-撓度曲線的影響Fig.1 influence of different temperature level on the bending load-deflection curves of Co bonding agent

圖2 不同溫度水平對Co60Fe30Ni10結(jié)合劑抗彎載荷-撓度的影響Fig.2 influence of different temperature level on the bending load-deflection curves of Co60Fe30Ni10 bonding agent

圖3 不同溫度水平對Co50Fe30Cu10Ni10抗彎載荷-撓度曲線的影響Fig.3 influence of different temperature level on the bending load-deflection curves of Co50Fe30Cu10Ni10 bonding agent

由圖1到圖3可知:隨著燒結(jié)溫度的升高,金屬結(jié)合劑的抗彎載荷和撓度均逐漸增大。Co結(jié)合劑在700℃燒結(jié)時,其抗彎載荷/撓度分別為1.55k N/ 0.6mm,具有較好的燒結(jié)性能;Co60Fe30Ni10和Co50Fe30Cu10Ni10結(jié)合劑胎體在700℃低溫?zé)Y(jié)時,其抗彎載荷/撓度分別低于0.6k N/0.2mm; Co60Fe30Ni10結(jié)合劑在900℃燒結(jié)時,其抗彎載荷/撓度分別為3.0k N/0.7mm;Co50Fe30Cu10Ni10在850℃燒結(jié),其抗彎載荷/撓度為2.3k N/1.45mm, 900℃燒結(jié),其抗彎載荷/撓度分別為2.4k N/1.2mm,反而降低,這是因為燒結(jié)過程中出現(xiàn)低熔點滲出現(xiàn)象,導(dǎo)致其撓度減小。

3.2 實際工作中薄壁工程鉆的受力行為

對實際工況中的鉆頭進(jìn)行受力分析如圖4所示: F是施加給鉆頭的鉆壓力,T是鉆機(jī)施加給鉆頭接首的扭力,鉆孔過程中鉆管和材料之間的摩擦力為f1,刀齒側(cè)刃和材料之間產(chǎn)生的摩擦力為f2,刀齒頂刃和材料之間的作用力為f3。鉆頭工作時,主要是孔底的頂刃對鉆切材料進(jìn)行磨削,鉆機(jī)施加給鉆頭的扭力T和鉆壓F主要施加在鉆頭刀齒頂刃上,因刀齒和鉆管之間存在外側(cè)隙,鉆管圓周方向所受的摩擦力f1較小,同理,垂直刀齒側(cè)刃方向受力f2也較小,可以忽略不計。

鉆頭刀齒頂刃金剛石受力行為如圖5所示,以Ф63規(guī)格鉆頭鉆切混凝土和鋼筋為例,通過紅外測速儀測得其鉆切混凝土層實際轉(zhuǎn)速為616r/min,參考圖6可得出相應(yīng)的輸出扭矩為14.6N.m;鉆鋼筋時鉆頭的實際轉(zhuǎn)速為558r/min,鉆機(jī)對應(yīng)的輸出扭矩為25.2N.m,根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以計算得出鉆頭在鉆切混凝土和鋼筋時,施加在刀齒頂刃的剪切力分別為456.2N和787.5N。

圖4 實際工況中鉆頭受力行為Fig.4 mechanics behaviors of the diamond core drill bit in ctual working condition

圖5 鉆頭刀齒頂刃金剛石受力行為Fig.5 mechanics behaviors of drill bit tooth tip diamond blade

圖6 試驗鉆機(jī)轉(zhuǎn)速-扭矩曲線Fig.6 Speed-torque curve of the testing drilling rig

孕鑲金剛石工具單位面積金剛石顆粒數(shù)目:

Cd-金剛石體積濃度,%;

β-金剛石出刃高度系數(shù),一般取1/3;

D-金剛石顆粒直徑,mm;

PPC-單位克拉金剛石顆粒數(shù)。

試驗中所采用的金剛石濃度為30%,金剛石粒度為40/45目,即0.432mm,單位克拉金剛石的顆粒數(shù)PPC為1426[5],通過公式(1)計算出露金剛石顆粒數(shù)為123,則施加到單顆金剛石上的剪切力分別為3.7N和6.4N,進(jìn)而計算出反作用到孕鑲金剛石的金屬結(jié)合劑上的剪切強度為25.3MPa和43.8MPa,由以上推導(dǎo)過程,薄壁工程鉆對結(jié)合劑強度的要求可由式(2)進(jìn)行表示:

K-工況修正系數(shù),主要受實際工況的影響,如鉆壓差異、混凝土級別、骨料種類、鋼筋的密度等影響;

T-實際工作時鉆機(jī)的輸出扭矩,N.m;

R-鉆頭的半徑,m;

As-整支鉆頭金剛石刀齒底面積,mm2;

Ad-金屬結(jié)合劑包鑲單顆金剛石的有效面積, mm2。

薄壁工程鉆在實際工作中,會引起孕鑲金剛石的金屬結(jié)合劑產(chǎn)生微形變,如此微形變過大,則金剛石和金屬結(jié)合劑界面會出現(xiàn)明顯的裂隙,甚至金剛石會發(fā)生滑移;反之微形變過小,則結(jié)合劑不能有效緩沖鉆切沖擊力,使得金剛石受到的沖擊力過大,引起脫落或破碎。由大量試驗測試的數(shù)據(jù)得出,金屬結(jié)合劑的變形性可用撓度來表示,而撓度可由式(3)進(jìn)行計算。

K1-與金屬結(jié)合劑彈性模量及韌性有關(guān)。

(下期續(xù)完)

[1] 張鷹.金剛石制品金屬結(jié)合劑配方設(shè)計探討[J].金剛石與磨料磨具工程,2000(2):9-11.

[2] 黃曼,陳哲,王鳳榮,等.孕鑲金剛石工具中金剛石與胎體間機(jī)械包鑲力的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(4):43-45.

[3] 孫毓超,宋月清.對結(jié)合劑中鈷的再認(rèn)識[J].人工晶體學(xué)報, 2002(6)31:605-613.

[4] 程文耿.金剛石工具胎體合金特征的探討[J].超硬材料工程, 2011(3)23:31-38.

[5] 唐存印,章兼植.金剛石粒徑和每克拉顆粒數(shù)的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2002(130)4:32-34.

Influence of Strength and Micro-deformation of Metallic Bond on the Performance of Diamond Core Drill Bit

ZHANG Xu-hong,HOU Jun-yan,WANG Cheng-jun,LI Zhong-lin,LIN Qiang
(Diamond Tools Engineering and Technology Research Center of Hebei Province,Shijiazhuang,Hebei,China 050035)

The sintered density,hardness,and bending resistance are adopted to evaluate the technological properties of metal matrix diamond tools in the industry.This type of" static state"evaluation method is simple but inaccurate.There is no guiding significance for the operation performance design of the tools.The author has been trying to develop a quantification assessment method for the technological properties and operation performance of the tools without drilling test by using bending load-deflection as a"dynamic state"index to simulate the mechanics behaviors of the metallic bond of the tools in ctual working condition,supplemented by TEM topography measurement.The variation of bending load-deflection curves of three types of bonds(Co elementary substance, Co60Fe30Ni10 and Co50Fe30Cu10Ni10 atomized pre-alloy powders)under diffrent sintering temperature have been mainly studied in this artical.The strength and deflection formula has been derived by analyzing the mechanics behaviors of the diamond core drill bit in ctual working condition and has been tested through drilling test.

metallic bond,diamond core drill bit,bending load,deflection

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0014-04

2015-09-12

張許紅(1982-),男,工程師,2010年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè),現(xiàn)主要從事超硬材料制品及應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail: zhang_xuhong@aliyun.com。

張許紅,侯俊彥,王成軍,等.金屬結(jié)合劑強度和微形變對薄壁工程鉆性能的影響[J].超硬材料工程,2015,27(6):14-17.