保温时间对Fe基金刚石钻头性能影响的研究*

许华松,杨俊德,陈　威

(武汉金地探矿机械有限公司，武汉　430081)



保温时间对Fe基金刚石钻头性能影响的研究*

许华松,杨俊德,陈威

(武汉金地探矿机械有限公司，武汉430081)

在热压烧结法制造金刚石钻头的过程中，胎体配方和烧结工艺是直接决定金刚石钻头性能的两个关键因素。为了提高钻头的钻进效果并降低钻头成本，采用高铬铁合金粉和镍铁合金粉替代WC粉作为金刚石钻头的胎体配方材料。热压金刚石钻头的烧结参数主要包括烧结温度、保温时间、烧结压力和加压方式，其中保温时间的长短直接关系热压金刚石钻头的性能。文章主要讨论保温时间对Fe基金刚石钻头性能的影响。选用新的Fe基配方，以保温时间为变量，其余参数保持不变，装料并烧结一组此参数下的样品。通过对这些样品的弯曲、拉伸、压缩、硬度等力学性能测试以及断口扫描电镜分析，最终得出此配方下的最优保温时间。

金刚石；钻头；铁基胎体；保温时间；力学性能；扫描电镜分析

1　前言

热压法在生产金刚石制品中得到广泛的应用。在热压烧结法制造金刚石钻头过程中，胎体粉末的配料和烧结工艺是直接决定金刚石钻头性能的两个关键因素。

传统热压金刚石钻头的胎体是WC基胎体，胎体材料主要包含WC、Co、Ni等金属。但是近几年来这几种材料价格上涨，导致金刚石钻头成本显著增加。而且传统金刚石钻头胎体材料基本上采用单质金属粉末，预合金粉与单质金属粉相比有很多的优点，例如热压温度较低，烧结压力较低等，但仍然可以获得优质的金刚石钻头等产品，所以得到广大从事金刚石工具研究人员的重视。

基于以上两点，本文设计了一种新的金刚石钻头的胎体——铁基胎体。采用铁基胎体，是以高铬铁合金粉和镍铁合金粉替代碳化钨粉作为金刚石钻头的胎体材料，从而能够达到在降低制造钻头成本的同时提高金刚石钻头的性能和质量。本次以高铬铁合金粉和镍铁合金粉替代碳化钨粉，先后设计了十个钻头胎体配方进行力学对比试验，最后优化出一种最优的配方进行保温时间试验，金刚石浓度设计为20%(100%制，粒度为40/45)。

烧结工艺参数主要包括烧结温度、保温时间、烧结压力和加压方式。保温时间的长短直接关系热压金刚石钻头的性能，其实质是胎体金属粉料在石墨模具中吸收熔解热，然后熔化、粘结浸渍金属、对金刚石和骨架金属浸润，以及胎体金属与钢体之间形成粘结层的过程。这个过程需要足够的时间作保证。所以保温时间至少要比胎体吸收熔解热所用的时间长2分钟以上[1]。但时间过长会影响金刚石的强度，会导致金刚石变质，强度降低，容易破碎[2]。

因此为了保证金刚石不致因加热时间过长而降低性能，为了保证金刚石钻头质量，应尽量缩短保温时间[3]。本文主要分析保温时间对胎体的力学性能、微观机制以及金刚石钻头性能的影响，并确定最优保温时间。

2　试验条件

本次试验设计了一种新的配方，以高铬铁合金粉、铜铁合金粉、镍铁铜锡合金粉、镍铁合金粉、钴粉作为胎体成分配料，具体如表1。

表1　胎体配方成分表

试样分为两类：不加金刚石的空白试样，加金刚石的试样。分别测定试样的抗拉强度、抗弯强度、硬度并作断口SEM形貌分析。

烧结工艺为空白试样烧结参数：温度T=900℃，保温时间t=2min、5min、8min，压力P=20MPa；加金刚石试样的烧结参数：T=940℃，保温时间t=2min、5min、8min，P=20MPa。

断口分析的样品选用拉伸试验中拉断的样品，在扫描前需要对样品进行预处理，把样品泡在酒精杯里，然后用超声波震荡清洗。

3　试验方法与结果分析

3.1抗拉强度

按照标准——烧结金属摩擦材料抗拉强度的测定[4]进行，加载速度为2mm/min。其结果直接在电脑上读出，试样的尺寸如图1：

图1　拉伸试样的尺寸Fig.1　Size of the samples for tension test

每组试样测试三件，分别测定其抗拉强度值，并计算出平均值，如表2。

表2　抗拉强度的测试结果平均值(MPa)

3.2抗弯强度

按照标准——金属材料弯曲试验方法[5]在万能试验机上进行测定，试样为：3mm×20mm×125mm的长条形(试样长度根据试样厚度和所使用的试验设备确定)，加载速度为2mm/min。抗弯强度测定结果直接在电脑上读出。

每组试样烧结两件，分别测定抗弯强度值，并计算出平均值，如表3。

表3　抗弯强度的测试结果平均值(MPa)

3.3硬度

用络氏硬度HRC来表示钻头胎体性能[6]。试样硬度按照标准——金属洛氏硬度试验[7]测定。试样大小为Φ10mm×10mm的圆柱体。试验结果HRC值直接在硬度计上读出。

每组试样测试五到六个点的HRC值，取其中相近的三个值，并计算出平均值，如表4。

3.4SEM断口形貌

试验主要利用扫描电镜观察试样的断口，图2-a至图3-c为空白试样的断口照片，图4-a至图5-c为加金刚石试样的断口照片。

表4　硬度/HRC的测试结果平均值(空白试样)

图2　900℃空白试样的断口照片Fig.2　The SEM fracture photos of the blank sample at 900℃

图3　900℃空白试样的断口照片Fig.3　The SEM fracture photos of the blank sample at 900℃

图4　940℃加金刚石试样的断口照片Fig.4　The SEM fracture photos of the diamond sample at 940℃

图5　940℃加金刚石试样的断口照片Fig.5　The SEM fracture photos of the diamond sample at 940℃

4　分析与讨论

图6-a 抗拉强度随保温时间变化(空白试样) 图6-b 抗拉强度随保温时间变化(加金刚石试样)。

如图6-a所示，对于空白试样，抗拉强度值先随保温时间的延长而增大，在5min时为最大值555MPa，然后随保温时间的延长而减小。如图6-b所示，对于加金刚石试样，同样地，抗拉强度值先随保温时间的延长而增大，在5min时为最大值275MPa，然后随保温时间的延长而减小。相比空白试样，加金刚石样品的σb值降低了50%左右。值得注意的是：都在较短的保温时间如5min处，有相对较大的抗拉强度。因此如果要求胎体材料具有较高的抗拉强度，可以选择相对较短的保温时间。

图6　两种试样抗拉强度随保温时间的变化情况Fig.6　Tensile strength of the two samples changes with holding time

如图7-a所示，对于空白试样，抗弯强度值先随保温时间的延长而增大，在5min时为最大值785MPa，然后随保温时间的延长而减小。如图7-b所示，对于加金刚石试样，同样地，抗弯强度值先随保温时间的延长而增大，在5min时为最大值453MPa，然后随保温时间的延长而减小。相比空白试样，加金刚石样品的σb值降低了40%左右。

图7　两种试样抗弯强度随保温时间的变化情况Fig.7　Tensile strength of the two samples changes with holding time

如图8所示，空白试样HRC值大致都在26～27之间，变化幅度较小。因此保温时间的变化对硬度HRC值的大小影响甚微。

图8　硬度随保温时间变化(空白试样)Fig.8　HRC changes with holding time(blank sample)

由SEM形貌照片可看到有韧窝存在，断口大部分为韧性断裂，在断裂的过程中，存在塑性变形。

空白试样，断口基本上呈韧性断裂，总体而言，胎体粘结较好，胎体材料已经充分地熔合，胎体的烧结致密性很好。但在2min参数下，胎体材料中存在明显的显微孔洞，且分布不均匀，由于温度较低、保温时间较短，此时的胎体密度相对较小，说明在此参数下，胎体材料并没有很好地熔合在一起，稳定性和均匀性都较差，胎体材料中基本没有孔洞，空隙也较少；t=8min时，保温时间较长，致使胎体材料损失，抗弯强度虽然较大但是胎体稳定性差。

加金刚石的试样韧窝状断裂十分清晰，但也有一定的孔洞与空隙，总体而言，胎体粘结较好，胎体密度相对较好，因而抗弯、抗拉强度都比较较高；t=8min时，胎体材料中空隙与孔洞增多，由于保温时间较长，致使胎体材料损失，抗弯强度虽然较大但是胎体稳定性差。

5　结论

(1)空白试样的抗拉强度和抗弯强度都是先随保温时间的延长而提高，在5min时达到最大值，然后随保温时间的延长而减小，在2min时有最小值；硬度受保温时间长短的影响较小。

(2)加金刚石试样的抗拉强度和抗弯强度都是先随保温时间的延长而提高，在5min时达到最大值，然后随保温时间的延长而减小，抗拉强度在8min时有最小值，抗弯强度在2 min时有最小值。

(3)和空白试样相比，加金刚石试样的力学性能都随保温时间的延长也有不同程度的下降，其中抗拉强度和抗弯强度的下降幅度较大，分别达到50%和40%。

(4)综合力学性能和断口SEM形貌分析，热压金刚石钻头的理想保温时间为5min左右。在此保温时间参数下，胎体材料的力学性能较好，抗拉强度和抗弯强度都较高，并且较短保温时间参数下(具备一定的烧结温度)的胎体材料的烧结致密性较好，可以满足需要。

[1]陈章文.适合金川矿区的特种孕镶金刚石钻头研制[D].长沙:中南大学，2008.

[2]郑玉琢.温度和加热时间对金刚石性能的影响[J].金刚石制品与石材加工信息通报，1994(3)：15-17.

[3]赵永赞，等.工艺参数对金刚石工具性能的影响[J].沈阳建筑工程学院学报，1996,12(1)：38-41.

[4]GB/T 10423-2002.烧结金属摩擦材料抗拉强度的测定[S].

[5]GB/T 232-1999.金属材料弯曲试验方法[S].

[6]张绍和.金刚石与金刚石工具[M].长沙：中南大学出版社，2005:70-95,294.

[7]GB/T 230.1—2004.金属络氏硬度试验[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

许华松(1968-)，男，汉族，湖北仙桃人，武汉金地探矿机械有限公司研究所所长，高级工程师，硕士，从事地质找矿机具的研制工作。E-main:317639728@qq.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0001-05

引文格式：许华松,杨俊德,陈威.保温时间对Fe基金刚石钻头性能影响的研究[J].超硬材料工程，2016，28(4)：1-5.