葉蘭肅南青民劉建福

(1.河北地礦局探礦技術(shù)研究院 河北燕郊 065201)

(2.國土資源部地質(zhì)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(zhì)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(shù)研究院 河北燕郊 065201)

(2.國土資源部地質(zhì)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(shù)、胎體配方、模具尺寸、鉆頭組裝及燒結(jié)工藝參數(shù)等采取有利的控制措施,使鉆頭質(zhì)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(jié)工藝

1 影響熱壓金剛石鉆頭質(zhì)量的因素

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

2 控制鉆頭質(zhì)量的幾點措施

2.1 結(jié)合劑材料的選擇

熱壓孕鑲鉆頭所用結(jié)合劑是一種比較復(fù)雜的多元體系,在實際工作中它屬于多元系固相燒結(jié),即燒結(jié)溫度低于黏結(jié)成分熔點溫度,但黏結(jié)成分處于塑性或半熔融狀態(tài)。結(jié)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(zhì)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(shù)較小,具有一定的耐熱性;

(2)黏結(jié)金屬,起填充骨架間隙,粘牢金剛石的作用。常用的黏結(jié)金屬有鈷、鎳、錳、鋅和663青銅粉等。其中Co是不可缺少的黏結(jié)相。多元系粉末燒結(jié)溫度下,由于其中易熔成分(如Co)熔化后發(fā)生液相燒結(jié),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(jìn)鉆頭的收縮與致密化過程。

2.1.1 選擇的結(jié)合劑必須滿足下列的基本要求

①結(jié)合劑各組分高溫下不與金剛石起任何化學(xué)作用;

②結(jié)合劑合金的線膨脹系數(shù)應(yīng)與金剛石相近;

③結(jié)合劑必須有足夠的耐磨性和強(qiáng)度;

④結(jié)合劑合金有良好的導(dǎo)熱性。

2.1.2 防止結(jié)合劑粉末氧化、臟化

制造金剛石鉆頭所選用的結(jié)合劑粉末粒度一般在200目以細(xì),有些結(jié)合劑粉末極易氧化和臟化。對于這些結(jié)合劑粉末日常儲存一定要做到密封存放,即:新購買的結(jié)合劑粉一定是小袋真空包裝(約1～2kg),當(dāng)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(jié)活性大為降低,會嚴(yán)重影響鉆頭的質(zhì)量性能。當(dāng)出現(xiàn)異常情況如:氧化、受潮、臟化等,為了保證金剛石鉆頭的質(zhì)量,應(yīng)該禁止使用或及時進(jìn)行還原處理后才能使用。否則,使燒結(jié)出的鉆頭會出現(xiàn)裂紋或掉塊現(xiàn)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(qiáng)度,作為鉆頭鋼體的原料經(jīng)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(qiáng)度石墨,選用的石墨一定具備高強(qiáng)度、高致密、氣孔少的特點。

2.2 鉆頭胎體配方要做到與鉆進(jìn)巖層相適應(yīng)

(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(jù)鉆進(jìn)巖石的硬度及研磨性確定。在強(qiáng)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(jù)多年對熱壓孕鑲金剛石鉆頭的研究與生產(chǎn)實踐,確定鉆頭胎體硬度時一定要緊密結(jié)合鉆進(jìn)的礦區(qū)巖石性質(zhì)而定。當(dāng)某種胎體硬度配方使用效果突出,就認(rèn)為這種胎體硬度配方適合所有的巖石,這是一種錯誤的認(rèn)識。一定與所施工礦區(qū)的用戶保持聯(lián)系,了解鉆頭使用情況(比如:時效、使用壽命等)。同時也要關(guān)注鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)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(jù)實際應(yīng)用情況進(jìn)行及時調(diào)整,見下表。

鉆頭胎體硬度及適用地層

去年我院生產(chǎn)的繩索Φ77×46金剛石鉆頭,在唐山司家營礦區(qū)進(jìn)行鉆進(jìn)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(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)為主,其次為纖維粒狀變晶結(jié)構(gòu)。巖石硬度8～9級,有的高達(dá)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(jù)鉆進(jìn)巖石情況,我們及時調(diào)整配方,經(jīng)十多種配方的室內(nèi)試制;硬度、強(qiáng)度測試、觀測合金化情況;把持金剛石的能力等,再積極進(jìn)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(qiáng)度較高;很好的對金剛石的把持力,較強(qiáng)的適應(yīng)廣泛性(礦層、非礦層都比較適應(yīng))。因確定的鉆頭胎體配方與鉆進(jìn)巖石性質(zhì)相適應(yīng),在實際施工中取得了良好的效果,鉆頭平均時效達(dá)3.05m/h,使用壽命約70m。

(2)金剛石參數(shù)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(tǒng)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(jī)抽選10株進(jìn)行考種，測量并記載其株高、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)等性狀，同時將每個小區(qū)分開，單收、單脫、單計產(chǎn)，并折算產(chǎn)量。試驗數(shù)據(jù)采用Excel2003和SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析處理。

金剛石的參數(shù)主要包括粒度、強(qiáng)度、濃度,如何選擇性能優(yōu)良的金剛石關(guān)鍵是要把握好參數(shù)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(jù)巖粉和砂粒的平均粒徑大小來確定,應(yīng)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(shù)的確定與所鉆進(jìn)巖石硬度及研磨性相適應(yīng),如鉆進(jìn)硬-堅硬、弱研磨性巖石時,宜采用細(xì)粒、高強(qiáng)度、低濃度金剛石。在唐山司家營礦區(qū)進(jìn)行鉆進(jìn)施工,根據(jù)該礦區(qū)的礦區(qū)巖石性質(zhì),對金剛石參數(shù)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(shè)計較大的水口結(jié)構(gòu),鉆頭在鉆進(jìn)過程中達(dá)到比較高的效率(時效達(dá)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(guān)鍵尺寸的確定與控制

(1)鉆頭石墨底模內(nèi)徑的確定

鉆頭底模是成型粉末料壓制和燒結(jié)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(chǔ)。其主要尺寸確定,確定底模內(nèi)徑最為關(guān)鍵,內(nèi)徑的確定應(yīng)滿足結(jié)合劑收縮后所需鉆頭外徑的需求。熱壓法燒結(jié)鉆頭石墨底模內(nèi)徑可參照下式確定:

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

(2)鉆頭石墨芯模外徑的確定

鉆頭芯模外徑?jīng)Q定了鉆頭的內(nèi)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(nèi)徑尺寸。它與鋼體內(nèi)徑的配合間隙力求盡可能小為宜,以免導(dǎo)致在熱壓過程中成型料中結(jié)合劑的液相流失。

式中:d為鉆頭內(nèi)徑名義尺寸,mm;h2為芯模的高度,要大于結(jié)合劑壓實后的高度mm;α石為石墨的線膨脹系數(shù),5.4×10-6/℃;α胎為結(jié)合劑的線膨脹系,15×10-6/℃;tn為燒結(jié)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(zhǔn)確測量芯模直徑和高度、鋼體的內(nèi)外徑和高度,使其尺寸達(dá)到設(shè)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(jīng)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(chǎn)生富集現(xiàn)象;攪拌時間不宜過長,酒精易蒸發(fā)導(dǎo)致金剛石出現(xiàn)分選。

4.3 聚晶的粘結(jié)與插放要適宜

當(dāng)鉆頭是軟胎體時,采用粘結(jié)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(nèi)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(jìn)效率。

4.4 鉆頭鋼體的結(jié)構(gòu)與凈化

為了加強(qiáng)鋼體和胎體連接部分燒結(jié)的結(jié)合強(qiáng)度,能夠承受鉆進(jìn)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(jī)械鑲嵌力。鋼體壓入模具前一定仔細(xì)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(yán)重時,可用強(qiáng)酸進(jìn)行去銹處理。以保證胎體和鋼體具有足夠的連接強(qiáng)度。

5 燒結(jié)工藝要嚴(yán)格控制

孕鑲金剛石鉆頭燒結(jié)參數(shù)主要包括燒結(jié)溫度,壓力,升溫,冷卻速度,保溫時間等。燒結(jié)溫度根據(jù)胎體硬度不同來具體確定,根據(jù)配方不同,燒結(jié)溫度為黏結(jié)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(jié)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(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),壓制應(yīng)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(yīng)加大到全壓力的60～70%,并保持此壓力直到設(shè)定的燒結(jié)溫度,避免壓力滯后于胎體收縮的現(xiàn)象出現(xiàn)。中壓保溫時間一般3分鐘。

(3)達(dá)到燒結(jié)溫度后,加至全壓,以促使胎體致密化的進(jìn)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(dá)到高時效長壽命的目的。

1 劉廣志.金剛石鉆探手冊.地質(zhì)出版社,1991

2 趙爾信.金剛石鉆頭與擴(kuò)孔器.地質(zhì)出版社,1989

3 萬隆等.超超硬材料與工具.化學(xué)工業(yè)出版社,2006

2009年12月29日)