改善釬焊金剛石鉆頭制造工藝的研究

王 聰， 王振宇， 卜長(zhǎng)根

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

改善釬焊金剛石鉆頭制造工藝的研究

王 聰， 王振宇， 卜長(zhǎng)根

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

電阻式真空活化釬焊燒結(jié)機(jī)釬焊燒結(jié)金剛石鉆頭時(shí)，由于鎳基釬焊溫度較高，釬焊溫度超過727 ℃時(shí)鉆頭45鋼體開始發(fā)生奧氏體反應(yīng)，在釬焊燒結(jié)壓力下易變形。為了保持一定的壓力以減小接觸電阻，滿足釬焊燒結(jié)溫度基本不變的要求，成功地通過增大鉆頭鋼體段的過流面積，減小鋼體段的電阻以降低鋼體的發(fā)熱功率和溫升，有效地減少鉆頭鋼體的塑性變形。

釬焊金剛石鉆頭；石墨模具；鋼體；降溫

0 引言

在電阻式燒結(jié)釬焊金剛石鉆頭時(shí)，由于釬焊燒結(jié)過程溫度較高(970～1050 ℃)，模具中所加入的粉料才能達(dá)到溶解重組的過程，然而金剛石鉆頭的鋼體(45鋼)在溫度達(dá)到727～912 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變[1-3]，析出奧氏體，超過Ac1共析線，則進(jìn)入完全奧氏體狀態(tài)，奧氏體狀態(tài)下的鋼體塑性流動(dòng)性好，強(qiáng)度較低，鋼體在受壓情況下極易發(fā)生變形。因此需要找到一種行之有效的制造工藝方法，在不影響燒結(jié)溫度的基礎(chǔ)上，盡可能地減小鋼體受熱溫度。

1 影響壓頭之間各部分溫升的因素分析

電阻式燒結(jié)機(jī)的加熱系統(tǒng)由功率模塊和加熱變壓器組成，該機(jī)采用真空電阻加熱，升溫速度快。系統(tǒng)釬焊燒結(jié)鉆頭時(shí)，其加熱系統(tǒng)與模具、墊塊之間可看作電阻串聯(lián)電路，熱壓燒結(jié)原理如圖1所示。

Rin——系統(tǒng)內(nèi)電阻，R0——外負(fù)載總電阻。

圖1 熱壓燒結(jié)原理圖

如圖1所示，電阻式燒結(jié)機(jī)的電阻分為內(nèi)電阻和外電阻2部分，系統(tǒng)工作時(shí)，該加熱系統(tǒng)可看作串聯(lián)電路，即系統(tǒng)中電流處處相等。

輸出發(fā)熱功率P0為：

P0=UI=I2R0

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)，得：

若使P0最大，則分母項(xiàng)應(yīng)最小,將分母項(xiàng)看成是對(duì)R0的一元函數(shù)，則：

y(R0)=R0+2Rin+(Rin2/R0)

(3)

對(duì)式(3)一階求導(dǎo)，得：

y′(R0)=1-(Rin2/R02)

(4)

令式(4)為0，則R0=Rin。此時(shí)對(duì)式(4)進(jìn)行二階求導(dǎo)，得：

y″(R0)=2Rin2/R03=2/R0

(5)

所以，根據(jù)函數(shù)極值的第二充分條件，當(dāng)R0=Rin時(shí)，負(fù)載的發(fā)熱功率最大。

而上下銅電極之間的外負(fù)載電阻之和為：

(6)

其中：ρi——第i段電阻率，Ω·m；Li——第i段電阻長(zhǎng)度，m；Si——第i段橫截面積，m2。

由于加熱系統(tǒng)看做串聯(lián)電路，則R0之間的電流處處相等，當(dāng)燒結(jié)過程中的總電流I保持不變時(shí)，電阻越大發(fā)熱量越大，升溫速度就越快；電阻越小發(fā)熱量越小，升溫速度也就越慢。因此，根據(jù)公式(6)，電阻值的大小與電阻率、橫截面積和電阻的長(zhǎng)度有關(guān)，可以通過調(diào)整電阻率、過流面積和墊塊厚度來(lái)調(diào)整電阻，以此來(lái)控制升溫區(qū)域。壓頭之間石墨墊塊L1、L2、L5、L6的參數(shù)不變，模具L4參數(shù)不變，鋼體L2的電阻率不變，高度隨著壓力的增長(zhǎng)，粉末的沉積逐漸下移，因此，只能通過改變其橫截面積的方法來(lái)改變總電阻，當(dāng)負(fù)載電阻R0變化不顯著時(shí)，可以通過并聯(lián)電阻的方式來(lái)減小鉆頭鋼體段的總電阻，以此來(lái)降低鋼體的升溫速率。

2 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)分析

為了增大鉆頭鋼體段的過流面積，在實(shí)驗(yàn)中選用耐高溫金屬帶套管和耐高溫纖維金屬線[5-6]，因石墨顆粒的熔點(diǎn)高，因此，將石墨顆粒充滿耐高溫金屬帶，用纖維金屬線封口，然后將暴露在石墨模具外的鉆頭鋼體部分用耐高溫金屬帶套管均勻進(jìn)行纏繞，通過增大過流面積來(lái)減小鉆頭鋼體的受熱溫度。釬焊燒結(jié)過程中用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量加套管前后鋼體與石墨模具的外表面溫度，以36系列、75系列釬焊鉆頭為例，以測(cè)量加套管前后鋼體與石墨模具的外表面溫度。

經(jīng)過改良前后制備36系列和75系列釬焊金剛石鉆頭，借助紅外線測(cè)溫儀，分別測(cè)出加耐高溫套管前后，燒結(jié)機(jī)的加熱溫度達(dá)到400、500、600、700、800、900、950 ℃時(shí)鋼體和模具的外表面溫度。改善前后對(duì)比如圖2所示，溫度數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

圖2 模具擺放圖

℃

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用origin數(shù)據(jù)曲線表示，可以更直觀地觀察出加套管前后鋼體與模具外表面溫度的明顯下降。曲線對(duì)比如圖3所示。

當(dāng)模具外表面溫度變化趨勢(shì)不大時(shí)(如圖3)，

表2 75系列釬焊金剛石鉆頭改善工藝前后溫度對(duì)比

圖3 模具外表面溫度曲線圖

鉆頭鋼體在加耐高溫套管后，外表面溫度發(fā)生明顯下降(如圖4)，對(duì)比加耐高溫套管與未加耐高溫套管的前后溫度曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，加套管后的加熱速度快，36系列和75系列的釬焊金剛石鉆頭鋼體溫度在不同程度都有所下降，36系列鉆頭鋼體的下降溫度區(qū)域在41～132 ℃之間，75系列鉆頭鋼體的下降溫度區(qū)域在246～406 ℃之間；說(shuō)明通過增大過流

圖4 鋼體溫度曲線圖

面積來(lái)減小釬焊鉆頭鋼體溫度的措施是有效的，且對(duì)模具釬焊燒結(jié)區(qū)的溫度影響不明顯。

3 結(jié)論

針對(duì)真空電阻式釬焊燒結(jié)機(jī)，當(dāng)電流一定時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明通過增大鉆頭鋼體的過流面積，降低鉆頭鋼體段的電阻，以減小發(fā)熱功率和溫升，有效地改善了釬焊金剛石鉆頭在燒結(jié)時(shí)鋼體溫度過高的問題，解決了高溫狀態(tài)下鋼體易變形的難題。

[1] 孔建，姜明國(guó).45號(hào)鋼熱處理工藝常見問題及其預(yù)防措施[J].裝備制造技術(shù)，2013,(4)：117-119,122.

[2] 夏立芳.金屬熱處理工藝學(xué)[M].黑龍江哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[3] 石湘琴.熱處理原理及工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 李國(guó)平，李建春，等.熱處理對(duì)S32003經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼組織和性能的影響[J].鋼鐵，2013，(5)：72-75.

[5] 李衛(wèi)東.耐高溫纖維的主要品種及其性能[J].中國(guó)纖檢，2011,(9)：77-79.

[6] 汪曉峰，李曄.耐高溫纖維的發(fā)展及其在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].合成纖維，2004,33(2)：1-3.

[7] 張義東.金剛石鉆頭熱壓燒結(jié)工藝研究[D].湖北武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2010.

[8] 章文姣，葉宏煜，楊凱華.釬焊地質(zhì)金剛石鉆頭的試驗(yàn)與研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2009,2(1)：44-48.

[9] 王達(dá)，何遠(yuǎn)信，等.地質(zhì)鉆探手冊(cè)[M].湖南長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2014.

[10] 章文姣.釬焊-熱壓多層有序排列金剛石鉆頭的研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2012.

[11] 卜長(zhǎng)根.一次成型多層釬焊金剛石鉆頭：中國(guó)，ZL201010174482.4[P].2010-10-20.

[12] 卜長(zhǎng)根.一種新型孕鑲釬焊金剛石鉆頭:中國(guó)，ZL201010170552.9[P].2010-05-13.

[13] 李子章.金剛石定位排布的熱壓孕鑲鉆頭研究[D].四川成都：成都理工大學(xué)，2010.

[14] 方小紅.超聲波電鍍鎳基金剛石鉆頭工藝與機(jī)理研究[D].湖北武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008.

[15] 霍宇翔.超聲波技術(shù)在電鍍金剛石鉆頭制造中的應(yīng)用研究[D].四川成都：成都理工大學(xué)，2006.

Research on Improving the Manufacture Technology of Brazed Diamond Bit/

WANGCong,WANGZhen-yu,BUChang-gen

(School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

In processing of manufacturing the brazing diamond bit for vacuum activation brazing-sintering machine, when the temperature exceed 727℃，the bit body of steel 45 will react austenitic reaction and becomes easy to deform under brazing-sintering pressure because of the higher Ni-based brazing temperature. In order to maintain certain pressure to reduce the contact electric resistance and meet the requirements of constant brazing sintering temperature, by increasing the flow area of the bit steel body and reducing the resistance of the steel part to reduce the heating power and the temperature rise of the bit steel body, the plastic deformation of bit body can be effectively reduced.

brazing diamond bit; graphite mould; steel body; temperature decreasing

2016-06-13

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“長(zhǎng)壽命釬焊金剛石鉆頭的研發(fā)”(編號(hào)：12120113096600)

王聰，男，漢族，1988年生，在讀碩士研究生，機(jī)械工程專業(yè)，研究方向機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，congwoniu@163.com。

卜長(zhǎng)根，男，漢族，1963年生，探礦工程專業(yè)，工學(xué)博士，主要從事機(jī)械工程、地質(zhì)工程方面的研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)19號(hào)樓115室，bucg@cugb.edu.cn。

P634.4+1

A

1672-7428(2017)02-0074-03