周玉梅,劉燕,呂智

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院,廣州 510225;2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,桂林 541004)

釬焊多層金剛石薄壁鉆的性能研究①

周玉梅1,劉燕2,呂智2

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院,廣州 510225;2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,桂林 541004)

采用釬焊法制備多層金剛石薄壁鉆,并對空白胎體及孕鑲胎體的密度、抗彎強度等機械性能和鉆頭的使用性能在相同的工藝條件下與燒結(jié)鉆頭進行對比。結(jié)果表明:釬焊空白胎體和孕鑲胎體的密度高,抗彎強度較大。釬焊鉆頭金剛石的出刃高度比燒結(jié)鉆頭提高了12.5%。釬焊鉆頭比燒結(jié)鉆頭的使用壽命提高了17.75%,但效率降低了4.63%。

釬焊;多層;金剛石薄壁鉆頭;性能

Abstract:The multilayer thin-walled diamond drill bit was fabricated by brazing in this paper.The density and bending strength of impregnated matrix and matrix w ithout diamond grits,and the protrusion of diamond grits of the brazed multilayer thin-walled diamond drill bit were compared to that of the sintered drill bit at the same conditions.The results showed that the brazed matrix had the higher density and bending strength,the protrusion of brazed diamond grits was increased by 12.4%.The service life of brazed thin-walled drill bit was increased by 17.75%,but the efficiency was decreased by 4.63%.

Keywords:brazing;multilayer;thin-walled diamond drill bit;performance

1 引言

金剛石薄壁鉆廣泛用于混凝土、鋼筋混凝土、水泥、瀝青馬路、玻璃、石材、硬質(zhì)磚石等非金屬硬脆材料的鉆孔及取樣,是工程建設不可缺少的消耗工具之一。目前,金剛石薄壁鉆的鉆齒一般是金屬粉末和金剛石通過熱壓燒結(jié)制成的,在工作中鉆齒內(nèi)外側(cè)同時受剪切力和強烈沖擊,燒結(jié)鉆頭極易失效,壽命較短。近年來,釬焊法制造的金剛石工具由于金剛石出刃高,容屑空間大,且釬料合金與金剛石的潤濕性好,能與金剛石表面形成化學冶金結(jié)合,金剛石和基體之間的結(jié)合強度高而成為國內(nèi)外超硬材料工具的熱門研究領域[1,2]。然而,迄今為止釬焊法大多局限于制造單層工具,用于制造多層(孕鑲)工具的研究較少。筆者曾研究了釬焊單層和多層金剛石取孔鉆并與電鍍金剛石取孔鉆進行了對比,發(fā)現(xiàn)其壽命和效率都高于電鍍工具[3,4]。但釬焊多層工具與燒結(jié)工具的對比研究未見報道。

本文采用釬焊法制造多層金剛石薄壁鉆,并對空白胎體、含金剛石胎體(孕鑲胎體)的密度、抗彎強度等機械性能和鉆頭的使用性能在相同的工藝條件下與普通燒結(jié)金剛石薄壁鉆進行了對比。

2 試驗方法

本實驗采用的原材料主要為粒度為48μm的N i-Cr(76w t.%N i-14w t.%Cr-10w t.%P)合金粉末,40/50目JR3金剛石,其他材料為燒結(jié)工具常用的金屬粉末。將原材料混合均勻,量取一定的重量在石墨模中裝模預壓,然后在熱壓燒結(jié)爐中制備鉆齒和測試試樣。

制備尺寸為30mm×12mm×6mm的燒結(jié)和釬焊試樣各5件進行密度和抗彎強度測試,其中密度用重量尺寸法測定,在W E-30型液壓式材料萬能測試機上進行抗彎強度的測定,并用掃描電鏡觀察試樣的斷口形貌。將燒結(jié)和釬焊鉆齒間接焊接在Φ63薄壁鉆鋼基體上,在ZZH-200K鉆機上進行開刃,采用偏光顯微鏡均取10個點測其平均出刃值。將燒結(jié)和釬焊鉆齒分別焊接在Φ63薄壁鉆鋼基體上制成鉆頭,然后進行鉆進鋼筋混凝土實驗,對比兩者的使用性能。鉆進孔深為30cm,每只鉆頭共鉆進10個孔,用秒表和游標卡尺測量鉆進鋼筋混凝土總時間(t)、鉆進鋼筋時間(t1)、鉆切鋼筋面積(S)和鉆齒齒高磨損量(Δh)。

3 結(jié)果與討論

3.1 密度及抗彎強度

燒結(jié)和釬焊試樣的密度對比如圖1a所示,可以明顯看出釬焊試樣的空白胎體和孕鑲胎體的密度均比燒結(jié)試樣高,尤其含金剛石胎體差別較大,這說明釬焊試樣胎體的致密度較好。目前,在評論胎體的性能時,一般都采用抗彎強度這一參數(shù)[5]。由圖1b可以看出,胎體中加入金剛石后,無論使用釬料與否,其抗彎強度均有不同程度的下降。釬焊試樣空白胎體及孕鑲胎體抗彎強度均略高于燒結(jié)試樣,并且相對于空白胎體來說,釬焊試樣抗彎強度的下降量也相對較小。這說明了釬焊試樣胎體對金剛石的包鑲能力較強,胎體與金剛石結(jié)合比較牢固。

圖1 燒結(jié)和釬焊鉆頭密度(a)和抗彎強度(b)對比Fig.1 Comparison of density(a)and bending strength(b)between sintered and brazed drill bit

當孕鑲胎體受拉伸力的作用時,主要的負荷落在基體部分,金剛石磨粒是否起分攤部分負荷的作用,完全取決于金剛石與基體之間的結(jié)合強度。在三點彎曲試驗加載過程中,由于燒結(jié)孕鑲胎體中金剛石與基體之間除了機械包鑲力之外,基本上沒有冶金結(jié)合力。隨著負荷的增大,首先在金剛石與基體之間產(chǎn)生裂紋,使所加負荷全部由基體部分承擔,金剛石沒有分擔任何拉伸負荷。并且,由于金剛石與基體分離形成的孔洞產(chǎn)生了應力集中,加速了其斷裂的過程。因此,若金剛石與基體之間沒有形成冶金結(jié)合的話,尤其是試樣中位于表面金剛石分布較多的話,其抗彎強度會比空白胎體有較大幅度的下降,在本實驗中下降24%。當胎體中加入活性釬料后,一方面,由于活性元素Cr與金剛石形成鉻的碳化物[3],另一方面,根據(jù)Cr-Co相圖,在熱壓條件下,Cr又會與Co形成有限固溶體,使金剛石與基體之間的結(jié)合強度得到改善[6]。本實驗中釬焊金剛石孕鑲胎體的抗彎強度比燒結(jié)金剛石孕鑲胎體提高了3%。這是因為在三點彎曲試驗加載過程中,由于金剛石與基體在某些地方形成了較強的冶金結(jié)合,加到試樣上的負荷由基體和金剛石共同承擔。由于金剛石本身的強度相當高,隨著負荷的增加,金剛石本身并不發(fā)生斷裂,一般在金剛石與基體結(jié)合部位或附近首先產(chǎn)生裂紋,而后引起試樣的斷裂。

圖2是抗彎強度試樣斷口微觀形貌。燒結(jié)試樣中大多數(shù)金剛石脫落,脫落坑很光滑,并有金剛石結(jié)晶花紋的印痕(圖2a)。金剛石與胎體之間的縫隙較大,金剛石只是鑲嵌在胎體中(圖2b)。釬焊試樣中金剛石脫落后形成的坑形狀不規(guī)則,且在斷裂過程中產(chǎn)生了裂紋(圖2c),這是由于金剛石與胎體之間具有比較大的結(jié)合力,在試樣斷裂的過程中金剛石帶走了一部分胎體所致,金剛石與胎體之間結(jié)合較緊密(圖2d)。

圖2 燒結(jié)(a,b)和釬焊(c,d)試樣斷口微觀形貌Fig.2 SEM images of fracture morphologies of sintered(a,b)and brazed(c,d)sample

3.2 金剛石出刃高度

孕鑲鉆頭唇面金剛石的出刃高度是表征其鉆進性能的重要技術指標[7]。從圖3可以測出,釬焊鉆頭比燒結(jié)鉆頭金剛石的出刃高度提高了11%。一般來說釬焊單層金剛石的出刃高度可高達70%[8],這說明了金剛石出刃值還可以提高25%左右。究其原因,單層工具中釬料是直接和金剛石接觸,并在釬焊過程中直接浸潤金剛石使之與釬料牢固地粘結(jié)在一起。而多層(孕鑲)工具中釬料是和金剛石與胎體金屬粉隨機混合在一起的,釬料未能夠直接完全包覆并浸潤金剛石。因此,在釬焊的過程中,如何使釬料能夠完全浸潤金剛石從而實現(xiàn)釬焊,還存在許多問題值得進一步研究。比如釬料的用量以及加入方式等。

圖3 燒結(jié)和釬焊鉆頭金剛石出刃率比較Fig.3 Comparison of protrusion ratio of diamond grits between sintered and brazed drill bit

3.3 鉆進實驗

其中:L為水泥長度,為巖芯總長度減去鋼筋高度后的長度。

(4)綜合速度(V3)

H為鉆進鋼筋混凝土總高度。

表1 燒結(jié)和釬焊鉆頭鉆進性能對比Table 1 Comparison of drilling performance of sintered and brazed drill bit

表1為燒結(jié)和釬焊鉆頭性能對比。可以看出,釬焊鉆頭比燒結(jié)鉆頭的磨耗量(Δh)小,使用壽命(Q)比燒結(jié)鉆頭提高了17.75%。這是由于金剛石與胎體形成某種形式的化學冶金結(jié)合,胎體對金剛石的包鑲能力提高,防止了金剛石磨料過早脫落的貢獻。但從鉆進效率(N)來看,釬焊鉆頭比燒結(jié)鉆頭略低,降低了4.63%。這是由于包鑲能力的提高導致脫落顆粒減少所致(相當于濃度增加了),但可以看到壽命的增幅明顯大于效率的降幅,文獻[9]的理論研究也表明了這一趨勢。

4 結(jié)論

與燒結(jié)薄壁鉆試樣相比,釬焊多層薄壁鉆試樣的空白胎體和孕鑲胎體的密度高,抗彎強度較大,并與空白胎體比較抗彎強度的下降量較小。釬焊鉆頭金剛石的出刃高度比燒結(jié)鉆頭提高了12.5%。釬焊金剛石與胎體的縫隙較小,工作后金剛石脫落較少,胎體對金剛石的包鑲能力較高。釬焊多層鉆頭的使用壽命比燒結(jié)鉆頭的使用壽命提高了17.75%,效率降低了4.63%,其壽命的增幅遠大于效率的降幅。

[1] C.M.Sung.Brazed diamond grid a revolutionary design for diamond saw s[J].Diamond and RelatedM aterials,1999(8):1540-1543.

[2] Z.J.Yao,et al.High temperature brazing of diamond tools[J].Transaction of Nonferrous M etals Society of China,2005,15:1297-1302.

[3] 張鳳林,等.釬焊法制造單層金剛石取孔鉆及其界面微觀結(jié)構(gòu)[J].焊接學報,2007(3):21-24.

[4] 楊志峰,等.釬焊法制備金剛石取孔鉆及其鉆削性能研究[J].超硬材料工程,2008(1):34-37.

[5] 李立明,等.金剛石節(jié)塊的抗彎強度分析[J].河南科學,2000(4):363-365.

[6] 孫毓超,等.金剛石工具與金屬學基礎[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1999.

[7] 孫毓超,等.鉆頭金剛石出刃高度對鉆進性能的影響[J].工業(yè)金剛石,1988(2):13.

[8] 周玉梅,等.釬焊技術在金剛石工具中的應用[J].工具技術,2004,38(3):9-11.

[9] 章兼植.金剛石粒度、濃度、包鑲能力對工具功耗、壽命的影響[J].珠寶科技,2004(1):3.

Study on performance of brazed multilayer thin-walled diamond drill bit

ZHOU Yu-mei1,L I U Yan2,LV Zhi2
(1.College of M echanical and E lectronic Eng ineering,Zhongkai U niversity of A g riculture and
Eng ineering,Guangzhou510225;2.Guilin R esearch Institute of Geology f orM ineral R esources,Guilin541004)

TQ 164

A

1673-1433(2010)02-0010-04

2010-02-30

周玉梅(1977-),女,仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院講師,主要研究方向為超硬材料工具制造及農(nóng)業(yè)機械設備研究。E-mail:zym tky@163.com

國家自然科學基金(50605009),仲愷農(nóng)業(yè)工程學院博士啟動項目(G2360290)資助