組分對鐵基金剛石鉆頭的力學(xué)性能影響研究

劉 冀

（中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南長沙410100）

0 引言

傳統(tǒng)的熱壓金剛石鉆頭胎體是WC基胎體，胎體材料主要包含WC、Co、Ni等金屬材料。但是目前這幾種材料價格上漲，導(dǎo)致金剛石鉆頭成本顯著增加。并且傳統(tǒng)金剛石鉆頭胎體成分基本上采用單質(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，例如熱壓溫度較低，燒結(jié)壓力較低等，所以得到廣大從事金剛石工具研究人員的重視［1-5］。因此，本文對鐵基金剛石鉆頭進行了研究，以鐵基預(yù)合金粉替代碳化鎢粉作為金剛石鉆頭的胎體材料，研究鐵預(yù)合金粉、Cu、Ni、Co各成分對鐵基胎體力學(xué)性能的影響，為鐵基胎體的配方提供理論依據(jù)與實驗基礎(chǔ)［6-7］。

1 實驗

1.1 配方設(shè)計

選用鐵預(yù)合金粉末作為金剛石鉆頭胎體材料，鐵基胎體配方包括4種材料，分別是鐵預(yù)合金粉和適量純銅粉，同時添加了適量純鎳和純鈷。Ni主要用來提高胎體強度和耐磨性。Co在鉆頭胎體中是不可缺少的粘結(jié)相，易燒結(jié)，使顆粒相互靠攏，可促進胎體的收縮致密化過程［8-11］。

金剛石濃度的選擇與所鉆巖層關(guān)系密切，謝德龍［12］指出，中強研磨性巖層金剛石濃度15%～30%，且在前期研究的基礎(chǔ)上確定金剛石濃度設(shè)計為20%［13］（100%制，粒度為40/45）。通過調(diào)整鐵基預(yù)合金粉、Cu以及Ni、Co之間的質(zhì)量配比來研究胎體性能。鐵預(yù)合金粉配方采用兩階段設(shè)計過程：第一階段只包含鐵預(yù)合金粉和適量純銅粉，以鐵基預(yù)合金粉F1為變量，其他成分含量不變設(shè)計了4組配方；第二階段除鐵預(yù)合金粉，還添加了適量Ni和Co，以Ni、Co為變量，其他成分含量不變設(shè)計了5組配方。本次實驗先后設(shè)計了9種鐵基胎體配方，各配方對應(yīng)編號1～9，實驗配方設(shè)計如表1所示。

表1 鐵基胎體配方Table 1 Fe-based matrix formula %

其中將傳統(tǒng)的WC基金剛石鉆頭胎體通用配方作 為 第10種 配 方：WC45%、Mn5%、Co10%、Ni10%、CuSn1030%，金剛石濃度設(shè)計為20%（100%制，粒度為40/45）。

1.2 熱壓燒結(jié)

試樣分為2類：不加金剛石的空白試樣和加金剛石的試樣。分別測定試樣的抗拉強度、抗彎強度、硬度，并進行斷口SEM形貌分析。

燒結(jié)工藝在參考熱壓燒結(jié)WC基金剛石鉆頭燒結(jié)工藝［14-15］的基礎(chǔ)上，根據(jù)鐵預(yù)合金粉的特點，在前期試驗［13］及Dai等［16］研究基礎(chǔ)上確定熱壓燒結(jié)工藝及參數(shù)為：空白試樣燒結(jié)溫度T=900℃，保溫時間t=2、5、8 min，壓力P=19.6 MPa；加金剛石的試樣T=940℃，t=2、5、8 min，P=19.6 MPa。

1.3 力學(xué)性能實驗及斷口測試

用液壓萬能材料試驗機測試試樣抗拉強度和三點抗彎強度。分別測定不含金剛石試樣與含20%質(zhì)量分數(shù)（下同）金剛石試樣的抗拉強度和三點抗彎強度。用洛氏硬度計測試試樣的硬度。按照標準《燒結(jié)金屬摩擦材料抗拉強度的測定》［17］進行，加載速度2 mm/min。試樣尺寸如圖1所示。

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

按照標準《金屬材料彎曲試驗方法》［18］在萬能試驗機上進行測定，試樣為3 mm×20 mm×125 mm的長條形（試樣長度根據(jù)試樣厚度和所使用的試驗設(shè)備確定），加載速度為2 mm/min。

在胎體配方相同的條件下，胎體硬度越高，耐磨性及抗沖蝕性也越高［19］。但目前并不能統(tǒng)一測定胎體耐磨性，因此用比較容易測定的洛氏硬度HRC來表示鉆頭胎體性能。測定按照標準《金屬洛氏硬度試驗》［20］在布洛維光學(xué)硬度計上進行，試樣為?10 mm×10 mm的圓柱體。

用掃描電鏡觀測燒結(jié)試樣斷口形貌。斷口分析的樣品選用拉伸試驗中拉斷的樣品，在掃描前需要對樣品進行預(yù)處理，把樣品泡在酒精杯里，然后用超聲波震蕩清洗。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 抗拉強度

不同配方體系下燒結(jié)試樣的抗拉強度結(jié)果如表2所示。A1～A10分別對應(yīng)1～10號配方不含金剛石空白試樣，B1～B10分別對應(yīng)1～10號配方含20%金剛石試樣。每種配方每組試樣測試3件，分別測定其抗拉強度值，并列出平均值。

表2 抗拉強度測試結(jié)果平均值Table 2 Mean values of tensile strength test MPa

由表2和圖2、3所示，配方1～6的抗拉強度值都比較低，配方7～9的抗拉強度值較高。從配方成分分析，前6個配方未添加或少量添加Ni和Co，而配方7～9添加了適量的Ni和Co，Ni和Co元素提高了抗拉強度值，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論［16，21-22］一致。Ni和Co都具有適度的磨損性能，與Fe適量搭配可以得到很好的綜合性能，如小的變形性和適度的耐磨性。相較于不加金剛石試樣，加入金剛石后，胎體試樣的抗拉強度下降了50%左右，且在加金剛石試樣中，配方4～6的抗拉強度低于配方1～3，這是由于金剛石包鑲能力隨Fe含量的增大而降低。其中配方9的抗拉強度相較于傳統(tǒng)的WC基通用配方10，抗拉強度相差不大。在保溫時間t=5 min時，配方9的抗拉強度最大。

2.2 抗彎強度

不同配方體系下燒結(jié)試樣的抗彎強度結(jié)果如表3所示。A1～A10分別對應(yīng)1～10號配方不含金剛石空白試樣，B1～B10分別對應(yīng)1～10號配方含20%金剛石試樣。每種配方每組試樣燒結(jié)2件，分別測定其抗彎強度值，并列出平均值。

圖2 不同配方的抗拉強度變化（空白試樣）Fig.2 Tensile strength changes of different formulas(blank samples)

圖3 不同配方的抗拉強度變化（加金剛石試樣）Fig.3 Tensile strength changes of different formulas(samples with diamonds)

表3 抗彎強度測試結(jié)果平均值Table 3 Mean value of bending strength test results MPa

由表3和圖4、5所示，配方1～10的抗彎強度基本變化趨勢是逐漸增大的，其中配方5～9的抗彎強度相差不大，但都高于配方1～4。從配方成分來看，這是由于配方5～9中添加了適量的Ni和Co，而配方1～4中未添加且Cu的質(zhì)量分數(shù)較低。Co的抗彎強度高，可提高鐵基胎體的抗彎強度，Ni也具有一定的耐磨性和韌性［22］。相較于不加金剛石試樣，加入金剛石后，胎體試樣的抗彎強度最高下降了50%左右。其中配方9的抗彎強度相較于傳統(tǒng)的WC基通用配方10相差不大。同一配方，在燒結(jié)溫度相同的情況下，保溫時間5 min時能獲得較高的抗彎強度，這是由于保溫時間過短影響胎體金屬粉料的熔化、粘結(jié)浸漬金屬、對金剛石和骨架金屬浸潤并形成粘結(jié)層的過程，但時間過長會影響金剛石強度，導(dǎo)致金剛石變質(zhì)，強度降低，容易破碎［23-25］。

圖4 不同配方的抗彎強度變化（空白試樣）Fig.4 Bending strength changes of different formulas(blank samples)

圖5 不同配方的抗彎強度變化（加金剛石試樣）Fig.5 Bending strength changes of different formulas(samples with diamonds)

2.3 硬度

A1～A10分別對應(yīng)1～10號配方不含金剛石的空白試樣，每種配方每組試樣測試6個點的洛氏硬度值，按照檢測數(shù)據(jù)處理準則進行取舍，并計算平均值作為測試結(jié)果。不同配方體系下燒結(jié)試樣的硬度測試結(jié)果如表4所示。從表4及圖6可知，配方5、7、9的硬度值較低，其余配方的硬度值都較高。

表4 洛氏硬度測試結(jié)果均值（不含金剛石的空白試樣）Table 4 Mean value of hardness test results(blank samples)HRC

圖6 不同配方的硬度變化（空白試樣）Fig.6 Hardness changes of different formulas(blank samples)

2.4 斷口形貌SEM圖像

試驗主要利用掃描電鏡觀察試樣的斷口，圖7（A1～A9）為配方1～9的不含金剛石的空白試樣斷口SEM圖像，保溫時間5 min。

圖7 斷口截面SEM圖像Fig.7 SEM images of the rupture section

由SEM形貌圖像可看到有韌窩存在，在斷裂的過程中，存在塑性變形，斷口大部分為韌性斷裂。由配方1～3的SEM形貌照片可知，微觀空隙相對較多，且分布不均勻，說明胎體材料沒有充分熔合，有較多的孔洞、塊狀結(jié)構(gòu)以及裂紋，但也存在一部分韌窩。在宏觀上表現(xiàn)為此3種配方的燒結(jié)體的相對密度和力學(xué)性能較低，胎體致密性和穩(wěn)定性差。從配方4～6的圖上可看到有韌窩狀斷裂十分清楚，韌窩多但較淺，胎體中存在一定的空隙、孔洞、塊狀結(jié)構(gòu)以及裂紋，但較之前3種配方較少，胎體粘結(jié)相對較好，胎體致密性和穩(wěn)定性較差。從配方7～9的圖上可看到韌窩狀斷裂很清晰，韌窩多、大且深，胎體中存在不明顯的空隙、孔洞、塊狀結(jié)構(gòu)以及裂紋，胎體材料的均勻性得到了明顯的改善，胎體粘結(jié)較好，胎體材料已經(jīng)充分的熔合，胎體的燒結(jié)致密性很好，因而抗彎強度都比較較高。

在此基礎(chǔ)上可知：（1）配方1～3未添加Ni和Co，僅僅是鐵基預(yù)合金粉和單質(zhì)銅粉組成，故而各項力學(xué)性能都較差；（2）配方4～6中添加了少量的Ni、Co，抗彎強度有明顯提升，但抗拉強度值還較低；（3）配方7～9的各項力學(xué)性能較好，且硬度值較低。綜上所述，鐵基胎體能夠獲得良好的力學(xué)性能，Cu、Co和Ni對鐵基胎體的抗彎強度影響較大。

3 現(xiàn)場鉆進試驗

綜合力學(xué)性能分析，采用胎體成分配方9設(shè)計加工成金剛石鉆頭，進行鉆進實驗論證分析。采用XY-100型立式巖心鉆機雙管鉆進，轉(zhuǎn)速600～900 r/min，鉆進地層為長沙望城縣某高樓1和5號混凝土地基基礎(chǔ)，鉆頭使用數(shù)為2個，鉆進效果參數(shù)如表5所示。

從現(xiàn)場試驗可看出，鉆頭未鉆進之前是平底唇面（圖8a），鉆進一段時間后，由于胎體耐磨性間隔高低不同，使金剛石鉆頭鉆進時唇面形成高低不平的圓圈（圖8b）。使用后的鉆頭沒有出現(xiàn)掉塊、裂紋等現(xiàn)象，金剛石掉粒少，胎體力學(xué)性能和包鑲強度好（圖8c）。鐵基胎體配方具有較高的耐磨性，金剛石又易于出刃，鉆頭使用壽命較長。

表5 現(xiàn)場試驗效果參數(shù)Table 5 Field test results

圖8 現(xiàn)場使用的金剛石鉆頭Fig.8 Field test diamond bit

在鉆進混凝土標號C35的長沙望城縣某地基基礎(chǔ)時，鉆頭鉆進速度較快，平均壽命達到42 m。說明鐵基金剛石鉆頭胎體配方設(shè)計合理，鋼體與胎體連接牢固，具有良好的使用性能，鉆進效率較高。

4 結(jié)論

本文以鐵基預(yù)合金粉替代碳化鎢粉作為金剛石鉆頭的胎體材料，研究鐵預(yù)合金粉、Cu、Ni、Co各成分對鐵基胎體的力學(xué)性能的影響，結(jié)論如下：

（1）添加適量Ni和Co的鐵基胎體能夠獲得較好的燒結(jié)性能，鐵預(yù)合金粉替代碳化鎢粉是完全可行的，所燒結(jié)的鉆頭具有良好的使用性能，鉆進效率較高。

（2）相較于不含金剛石的試樣，含20%金剛石試樣的抗拉強度和抗彎強度值均降低較多。

（3）當保溫時間為5 min時，鐵基胎體有較好的力學(xué)性能。