保溫時間對Fe基金剛石鉆頭性能影響的研究*

許華松,楊俊德,陳　威

(武漢金地探礦機(jī)械有限公司，武漢　430081)

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保溫時間對Fe基金剛石鉆頭性能影響的研究*

許華松,楊俊德,陳威

(武漢金地探礦機(jī)械有限公司，武漢430081)

在熱壓燒結(jié)法制造金剛石鉆頭的過程中，胎體配方和燒結(jié)工藝是直接決定金剛石鉆頭性能的兩個關(guān)鍵因素。為了提高鉆頭的鉆進(jìn)效果并降低鉆頭成本，采用高鉻鐵合金粉和鎳鐵合金粉替代WC粉作為金剛石鉆頭的胎體配方材料。熱壓金剛石鉆頭的燒結(jié)參數(shù)主要包括燒結(jié)溫度、保溫時間、燒結(jié)壓力和加壓方式，其中保溫時間的長短直接關(guān)系熱壓金剛石鉆頭的性能。文章主要討論保溫時間對Fe基金剛石鉆頭性能的影響。選用新的Fe基配方，以保溫時間為變量，其余參數(shù)保持不變，裝料并燒結(jié)一組此參數(shù)下的樣品。通過對這些樣品的彎曲、拉伸、壓縮、硬度等力學(xué)性能測試以及斷口掃描電鏡分析，最終得出此配方下的最優(yōu)保溫時間。

金剛石；鉆頭；鐵基胎體；保溫時間；力學(xué)性能；掃描電鏡分析

1　前言

熱壓法在生產(chǎn)金剛石制品中得到廣泛的應(yīng)用。在熱壓燒結(jié)法制造金剛石鉆頭過程中，胎體粉末的配料和燒結(jié)工藝是直接決定金剛石鉆頭性能的兩個關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)熱壓金剛石鉆頭的胎體是WC基胎體，胎體材料主要包含WC、Co、Ni等金屬。但是近幾年來這幾種材料價格上漲，導(dǎo)致金剛石鉆頭成本顯著增加。而且傳統(tǒng)金剛石鉆頭胎體材料基本上采用單質(zhì)金屬粉末，預(yù)合金粉與單質(zhì)金屬粉相比有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如熱壓溫度較低，燒結(jié)壓力較低等，但仍然可以獲得優(yōu)質(zhì)的金剛石鉆頭等產(chǎn)品，所以得到廣大從事金剛石工具研究人員的重視。

基于以上兩點(diǎn)，本文設(shè)計了一種新的金剛石鉆頭的胎體——鐵基胎體。采用鐵基胎體，是以高鉻鐵合金粉和鎳鐵合金粉替代碳化鎢粉作為金剛石鉆頭的胎體材料，從而能夠達(dá)到在降低制造鉆頭成本的同時提高金剛石鉆頭的性能和質(zhì)量。本次以高鉻鐵合金粉和鎳鐵合金粉替代碳化鎢粉，先后設(shè)計了十個鉆頭胎體配方進(jìn)行力學(xué)對比試驗(yàn)，最后優(yōu)化出一種最優(yōu)的配方進(jìn)行保溫時間試驗(yàn)，金剛石濃度設(shè)計為20%(100%制，粒度為40/45)。

燒結(jié)工藝參數(shù)主要包括燒結(jié)溫度、保溫時間、燒結(jié)壓力和加壓方式。保溫時間的長短直接關(guān)系熱壓金剛石鉆頭的性能，其實(shí)質(zhì)是胎體金屬粉料在石墨模具中吸收熔解熱，然后熔化、粘結(jié)浸漬金屬、對金剛石和骨架金屬浸潤，以及胎體金屬與鋼體之間形成粘結(jié)層的過程。這個過程需要足夠的時間作保證。所以保溫時間至少要比胎體吸收熔解熱所用的時間長2分鐘以上[1]。但時間過長會影響金剛石的強(qiáng)度，會導(dǎo)致金剛石變質(zhì)，強(qiáng)度降低，容易破碎[2]。

因此為了保證金剛石不致因加熱時間過長而降低性能，為了保證金剛石鉆頭質(zhì)量，應(yīng)盡量縮短保溫時間[3]。本文主要分析保溫時間對胎體的力學(xué)性能、微觀機(jī)制以及金剛石鉆頭性能的影響，并確定最優(yōu)保溫時間。

2　試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)設(shè)計了一種新的配方，以高鉻鐵合金粉、銅鐵合金粉、鎳鐵銅錫合金粉、鎳鐵合金粉、鈷粉作為胎體成分配料，具體如表1。

表1　胎體配方成分表

試樣分為兩類：不加金剛石的空白試樣，加金剛石的試樣。分別測定試樣的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、硬度并作斷口SEM形貌分析。

燒結(jié)工藝為空白試樣燒結(jié)參數(shù)：溫度T=900℃，保溫時間t=2min、5min、8min，壓力P=20MPa；加金剛石試樣的燒結(jié)參數(shù)：T=940℃，保溫時間t=2min、5min、8min，P=20MPa。

斷口分析的樣品選用拉伸試驗(yàn)中拉斷的樣品，在掃描前需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理，把樣品泡在酒精杯里，然后用超聲波震蕩清洗。

3　試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

3.1抗拉強(qiáng)度

按照標(biāo)準(zhǔn)——燒結(jié)金屬摩擦材料抗拉強(qiáng)度的測定[4]進(jìn)行，加載速度為2mm/min。其結(jié)果直接在電腦上讀出，試樣的尺寸如圖1：

圖1　拉伸試樣的尺寸Fig.1　Size of the samples for tension test

每組試樣測試三件，分別測定其抗拉強(qiáng)度值，并計算出平均值，如表2。

表2　抗拉強(qiáng)度的測試結(jié)果平均值(MPa)

3.2抗彎強(qiáng)度

按照標(biāo)準(zhǔn)——金屬材料彎曲試驗(yàn)方法[5]在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測定，試樣為：3mm×20mm×125mm的長條形(試樣長度根據(jù)試樣厚度和所使用的試驗(yàn)設(shè)備確定)，加載速度為2mm/min。抗彎強(qiáng)度測定結(jié)果直接在電腦上讀出。

每組試樣燒結(jié)兩件，分別測定抗彎強(qiáng)度值，并計算出平均值，如表3。

表3　抗彎強(qiáng)度的測試結(jié)果平均值(MPa)

3.3硬度

用絡(luò)氏硬度HRC來表示鉆頭胎體性能[6]。試樣硬度按照標(biāo)準(zhǔn)——金屬洛氏硬度試驗(yàn)[7]測定。試樣大小為Φ10mm×10mm的圓柱體。試驗(yàn)結(jié)果HRC值直接在硬度計上讀出。

每組試樣測試五到六個點(diǎn)的HRC值，取其中相近的三個值，并計算出平均值，如表4。

3.4SEM斷口形貌

試驗(yàn)主要利用掃描電鏡觀察試樣的斷口，圖2-a至圖3-c為空白試樣的斷口照片，圖4-a至圖5-c為加金剛石試樣的斷口照片。

表4　硬度/HRC的測試結(jié)果平均值(空白試樣)

圖2　900℃空白試樣的斷口照片F(xiàn)ig.2　The SEM fracture photos of the blank sample at 900℃

圖3　900℃空白試樣的斷口照片F(xiàn)ig.3　The SEM fracture photos of the blank sample at 900℃

圖4　940℃加金剛石試樣的斷口照片F(xiàn)ig.4　The SEM fracture photos of the diamond sample at 940℃

圖5　940℃加金剛石試樣的斷口照片F(xiàn)ig.5　The SEM fracture photos of the diamond sample at 940℃

4　分析與討論

圖6-a 抗拉強(qiáng)度隨保溫時間變化(空白試樣) 圖6-b 抗拉強(qiáng)度隨保溫時間變化(加金剛石試樣)。

如圖6-a所示，對于空白試樣，抗拉強(qiáng)度值先隨保溫時間的延長而增大，在5min時為最大值555MPa，然后隨保溫時間的延長而減小。如圖6-b所示，對于加金剛石試樣，同樣地，抗拉強(qiáng)度值先隨保溫時間的延長而增大，在5min時為最大值275MPa，然后隨保溫時間的延長而減小。相比空白試樣，加金剛石樣品的σb值降低了50%左右。值得注意的是：都在較短的保溫時間如5min處，有相對較大的抗拉強(qiáng)度。因此如果要求胎體材料具有較高的抗拉強(qiáng)度，可以選擇相對較短的保溫時間。

圖6　兩種試樣抗拉強(qiáng)度隨保溫時間的變化情況Fig.6　Tensile strength of the two samples changes with holding time

如圖7-a所示，對于空白試樣，抗彎強(qiáng)度值先隨保溫時間的延長而增大，在5min時為最大值785MPa，然后隨保溫時間的延長而減小。如圖7-b所示，對于加金剛石試樣，同樣地，抗彎強(qiáng)度值先隨保溫時間的延長而增大，在5min時為最大值453MPa，然后隨保溫時間的延長而減小。相比空白試樣，加金剛石樣品的σb值降低了40%左右。

圖7　兩種試樣抗彎強(qiáng)度隨保溫時間的變化情況Fig.7　Tensile strength of the two samples changes with holding time

如圖8所示，空白試樣HRC值大致都在26～27之間，變化幅度較小。因此保溫時間的變化對硬度HRC值的大小影響甚微。

圖8　硬度隨保溫時間變化(空白試樣)Fig.8　HRC changes with holding time(blank sample)

由SEM形貌照片可看到有韌窩存在，斷口大部分為韌性斷裂，在斷裂的過程中，存在塑性變形。

空白試樣，斷口基本上呈韌性斷裂，總體而言，胎體粘結(jié)較好，胎體材料已經(jīng)充分地熔合，胎體的燒結(jié)致密性很好。但在2min參數(shù)下，胎體材料中存在明顯的顯微孔洞，且分布不均勻，由于溫度較低、保溫時間較短，此時的胎體密度相對較小，說明在此參數(shù)下，胎體材料并沒有很好地熔合在一起，穩(wěn)定性和均勻性都較差，胎體材料中基本沒有孔洞，空隙也較少；t=8min時，保溫時間較長，致使胎體材料損失，抗彎強(qiáng)度雖然較大但是胎體穩(wěn)定性差。

加金剛石的試樣韌窩狀斷裂十分清晰，但也有一定的孔洞與空隙，總體而言，胎體粘結(jié)較好，胎體密度相對較好，因而抗彎、抗拉強(qiáng)度都比較較高；t=8min時，胎體材料中空隙與孔洞增多，由于保溫時間較長，致使胎體材料損失，抗彎強(qiáng)度雖然較大但是胎體穩(wěn)定性差。

5　結(jié)論

(1)空白試樣的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都是先隨保溫時間的延長而提高，在5min時達(dá)到最大值，然后隨保溫時間的延長而減小，在2min時有最小值；硬度受保溫時間長短的影響較小。

(2)加金剛石試樣的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都是先隨保溫時間的延長而提高，在5min時達(dá)到最大值，然后隨保溫時間的延長而減小，抗拉強(qiáng)度在8min時有最小值，抗彎強(qiáng)度在2 min時有最小值。

(3)和空白試樣相比，加金剛石試樣的力學(xué)性能都隨保溫時間的延長也有不同程度的下降，其中抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的下降幅度較大，分別達(dá)到50%和40%。

(4)綜合力學(xué)性能和斷口SEM形貌分析，熱壓金剛石鉆頭的理想保溫時間為5min左右。在此保溫時間參數(shù)下，胎體材料的力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都較高，并且較短保溫時間參數(shù)下(具備一定的燒結(jié)溫度)的胎體材料的燒結(jié)致密性較好，可以滿足需要。

[1]陳章文.適合金川礦區(qū)的特種孕鑲金剛石鉆頭研制[D].長沙:中南大學(xué)，2008.

[2]鄭玉琢.溫度和加熱時間對金剛石性能的影響[J].金剛石制品與石材加工信息通報，1994(3)：15-17.

[3]趙永贊，等.工藝參數(shù)對金剛石工具性能的影響[J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報，1996,12(1)：38-41.

[4]GB/T 10423-2002.燒結(jié)金屬摩擦材料抗拉強(qiáng)度的測定[S].

[5]GB/T 232-1999.金屬材料彎曲試驗(yàn)方法[S].

[6]張紹和.金剛石與金剛石工具[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2005:70-95,294.

[7]GB/T 230.1—2004.金屬絡(luò)氏硬度試驗(yàn)[S].

Study of the Influence of Holding Time on the Performance of Iron Based Diamond Drill Bit

XU Hua-song, YANG Jun-de, CHEN Wei

(WuhanGoldExplorationMachineryCo.,Ltd,Wuhan,China430081)

In the manufacturing process of diamond drill bit through sintering method, matrix formula and sintering technology are the two key factors which directly determine the performance of diamond bit. In order to improve the drilling effect of the bit and reduce cost, WC powder has been replaced by high chromium iron alloy powders and nickel iron alloy powder as the matrix formula materials. The sintering parameters of hot-pressing diamond drill bit mainly contains the sintering temperature, holding time, sintering pressure and the way of pressurization, and the length of holding time is directly related to the performance of diamond drill bit. This article focuses on the influence of holding time on the performance of iron based diamond drill bit. A group of samples have been loaded and sintered with a new Fe formula under the same parameters with the holding time as variable. The optimal holding time for this formula has been eventually work out through mechanics performance testing such as bending, tension, compression, and hardness as well as the fracture SEM analysis of the samples.

diamond; drill bit; iron based matrix; holding time; mechanics performance; Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis

2016-05-10

許華松(1968-)，男，漢族，湖北仙桃人，武漢金地探礦機(jī)械有限公司研究所所長，高級工程師，碩士，從事地質(zhì)找礦機(jī)具的研制工作。E-main:317639728@qq.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0001-05

引文格式：許華松,楊俊德,陳威.保溫時間對Fe基金剛石鉆頭性能影響的研究[J].超硬材料工程，2016，28(4)：1-5.