金属结合剂强度和微形变对薄壁工程钻性能的影响(上)

张许红,侯俊彦,王成军,李忠林,林强

(河北省金刚石工具工程技术研究中心,河北石家庄 050035)

金属结合剂强度和微形变对薄壁工程钻性能的影响(上)

张许红,侯俊彦,王成军,李忠林,林强

(河北省金刚石工具工程技术研究中心,河北石家庄 050035)

业内以烧结致密度、硬度和抗弯强度对金属基金刚石工具的工艺性予以表征,这种“静态”指标评价方式简易但不精准,尤其是对工具的使用性能设计无指导意义。作者尝试在薄壁工程钻上以抗弯载荷-挠度这一“动态”指标,模拟实际工况中工具的金属结合剂受力行为,辅以电镜形貌检测,寻求一种不必进行钻切试验即可量化评价工具工艺与使用性能的方法。文章重点研究了Co单质及Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10雾化预合金粉三种结合剂随烧结温度的不同其抗弯载荷-挠度曲线产生的变化,对在实际工况中的薄壁工程钻受力行为进行分析,推导出金属结合剂强度和挠度公式,并通过钻切试验对其进行验证。

金属结合剂;薄壁工程钻;抗弯载荷;挠度

1 前言

通用金刚石工具涵盖薄壁工程钻、圆锯片、磨盘三大类产品,其钻、切、磨的功用可视为对材料的“点、线、面”加工。以薄壁工程钻为例,因生产工艺的差异,有热压烧结、中频烧结、自由烧结、电镀和钎焊的产品的不同。其中使用热压烧结工艺生产的钻头最为普遍,其刀齿需通过高频焊或激光焊与钻管联接,而中频烧结、自由烧结、电镀和钎焊等工艺与之区别在于可实现钻头的一次成型。就钻孔方式而言分为湿钻和干钻,而国内以湿钻工况为主,有手持和台钻之分,液压和电动施力为新方式,尚未普及。常见的钻孔设备功率1～5k W,转速100～2000r/min,钻头的规格15～450mm;一些石材钻产品,需与(变速)角磨机配用,其功率0.5～2.5k W,转速3000～11000r/min。薄壁工程钻主要用于机场跑道、公路、铁路、铁路桥隧道等建筑构件的钻孔,其加工对象包括钢筋混凝土、砖墙、耐火材料、石材、陶瓷、玻璃等,而加工钢筋混凝土是最为常见的工况。因加工对象多为非匀质材料,其受力复杂,需承受较大的冲击载荷,会造成金属胎体组织的微形变。

薄壁工程钻的刀齿由金刚石磨粒和金属结合剂烧结而成,结合剂本身虽不具备切割能力,但其机械性能优劣却影响胎体对金刚石磨粒的把持,进而导致钻头的使用性能迥异。关于胎体配方的设计方案众多,不再赘述,但使材料的去除率、胎体的磨损、金刚石的消耗三者之间形成最佳匹配是公认的设计原则。薄壁工程钻在钻切材料时,金刚石颗粒会受到法向和切向两个作用力,此力超过金属结合剂的屈服强度后,孕镶金刚石的胎体结合剂微形变会明显增大,因而造成金刚石从结合剂中脱落[1]。黄漫等[2]研究了金刚石与胎体间的机械包镶力,并用三点弯曲法测试胎体的弹性模量,认为提高胎体的弹性模量可以增大胎体对金刚石的包镶力。孙毓超[2]研究发现影响金刚石工具质量的首要因素是结合剂的耐磨性和变形性,适度的磨损性能和不易变形是保证工具质量的重要因素。挠度可以表征材料抵抗弹性变形的能力,金属结合剂的挠度需设计在一定范围内,才能充分发挥孕镶金刚石的作用。程文耿[3]提出金刚石工具在加工工件的过程中,抵抗由冲刷产生的“冲蚀磨损”时,起主要作用的是结合剂的“韧性”,韧性高的结合剂能有效地消耗“岩粉流”的冲击功,既起到抑制系统温度上升的作用,又因其较好的“退让性”而减少了自身的磨损程度,此外也避免了金刚石受到冲击力时,因工具结合剂产生永久性的塑性变形而发生位移,被逐渐地松动而导致金刚石过早脱落的问题。

综上所述,结合剂自身的强度和变形性对金刚石工具的使用性能具有很大的影响。笔者采用三点抗弯试验,研究了烧结温度对钴基结合剂及Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10两种全预合金粉结合剂的强度和变形性的影响,分别以抗弯载荷和挠度来表征结合剂的强度和变形性并建模,推导出数据公式,并通过钻切试验予以修正。

2 试验原材料与方法

2.1 试验原材料

优质的薄壁工程钻大多采用钴基结合剂,因其会表现出优良的耐磨匹配性、高的金刚石把持力、有益于工具锋利度及加工寿命的提升,因此本试验选用钴和钴基预合金粉作为试验对象。

所用钴粉采用溶解-沉淀草酸钴-还原法制备, Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10采用水雾化法生产,其理化性能参数指标见表1。

表1 粉料理化性能指标Table 1 physicochemical properties index of powders

2.2 试验方法

按照粉料的理论密度分别计算料重,冷压成型制成(39.6×3.1×16)mm的试验坯体后,装入石墨模具中采用真空热压烧结机烧结成40mm×3.2mm× 8mm的试验样块,在砂纸上进行抛磨,待测其物理性能。采用Co、Co60Fe30Ni10、Co50Fe30Cu10Ni10作为钻头刀齿的结合剂,加入同样粒度、级别和浓度的金刚石,在不同的烧结温度下制作Ф63规格薄壁工程钻刀齿(24mm×3.7mm×10mm),高频焊接到钻管上,开刃后进行钻切试验。试验设备为Bosun Z1Z-200M型钻机(功率:3500W,负荷转速: 520r/min),加水台钻四层Ф18钢筋混凝土试验块,混凝土标号为C40,厚度为24cm。

3 试验结果及分析

3.1 烧结温度对金属结合剂抗弯载荷-挠度曲线的影响

目前,采用热压烧结工艺生产的金属结合剂金刚石工具的烧结温度一般在700℃～900℃,烧结压力也一般采用15～40MPa。本次试验的烧结温度选取700℃、750℃、800℃、850℃和900℃5个水平,烧结压力为30MPa,保温时间为2min。采用LWD-100电子拉力试验机测试样块的抗弯载荷和挠度,试验加载速度为5mm/min,两支点的间距为25.4mm。试验结果分别见图1、图2和图3。

图1 不同温度水平对Co结合剂抗弯载荷-挠度曲线的影响Fig.1 influence of different temperature level on the bending load-deflection curves of Co bonding agent

图2 不同温度水平对Co60Fe30Ni10结合剂抗弯载荷-挠度的影响Fig.2 influence of different temperature level on the bending load-deflection curves of Co60Fe30Ni10 bonding agent

图3 不同温度水平对Co50Fe30Cu10Ni10抗弯载荷-挠度曲线的影响Fig.3 influence of different temperature level on the bending load-deflection curves of Co50Fe30Cu10Ni10 bonding agent

由图1到图3可知:随着烧结温度的升高,金属结合剂的抗弯载荷和挠度均逐渐增大。Co结合剂在700℃烧结时,其抗弯载荷/挠度分别为1.55k N/ 0.6mm,具有较好的烧结性能;Co60Fe30Ni10和Co50Fe30Cu10Ni10结合剂胎体在700℃低温烧结时,其抗弯载荷/挠度分别低于0.6k N/0.2mm; Co60Fe30Ni10结合剂在900℃烧结时,其抗弯载荷/挠度分别为3.0k N/0.7mm;Co50Fe30Cu10Ni10在850℃烧结,其抗弯载荷/挠度为2.3k N/1.45mm, 900℃烧结,其抗弯载荷/挠度分别为2.4k N/1.2mm,反而降低,这是因为烧结过程中出现低熔点渗出现象,导致其挠度减小。

3.2 实际工作中薄壁工程钻的受力行为

对实际工况中的钻头进行受力分析如图4所示: F是施加给钻头的钻压力,T是钻机施加给钻头接首的扭力,钻孔过程中钻管和材料之间的摩擦力为f1,刀齿侧刃和材料之间产生的摩擦力为f2,刀齿顶刃和材料之间的作用力为f3。钻头工作时,主要是孔底的顶刃对钻切材料进行磨削,钻机施加给钻头的扭力T和钻压F主要施加在钻头刀齿顶刃上,因刀齿和钻管之间存在外侧隙,钻管圆周方向所受的摩擦力f1较小,同理,垂直刀齿侧刃方向受力f2也较小,可以忽略不计。

钻头刀齿顶刃金刚石受力行为如图5所示,以Ф63规格钻头钻切混凝土和钢筋为例,通过红外测速仪测得其钻切混凝土层实际转速为616r/min,参考图6可得出相应的输出扭矩为14.6N.m;钻钢筋时钻头的实际转速为558r/min,钻机对应的输出扭矩为25.2N.m,根据这些数据可以计算得出钻头在钻切混凝土和钢筋时,施加在刀齿顶刃的剪切力分别为456.2N和787.5N。

图4 实际工况中钻头受力行为Fig.4 mechanics behaviors of the diamond core drill bit in ctual working condition

图5 钻头刀齿顶刃金刚石受力行为Fig.5 mechanics behaviors of drill bit tooth tip diamond blade

图6 试验钻机转速-扭矩曲线Fig.6 Speed-torque curve of the testing drilling rig

孕镶金刚石工具单位面积金刚石颗粒数目:

Cd-金刚石体积浓度,%;

β-金刚石出刃高度系数,一般取1/3;

D-金刚石颗粒直径,mm;

PPC-单位克拉金刚石颗粒数。

试验中所采用的金刚石浓度为30%,金刚石粒度为40/45目,即0.432mm,单位克拉金刚石的颗粒数PPC为1426[5],通过公式(1)计算出露金刚石颗粒数为123,则施加到单颗金刚石上的剪切力分别为3.7N和6.4N,进而计算出反作用到孕镶金刚石的金属结合剂上的剪切强度为25.3MPa和43.8MPa,由以上推导过程,薄壁工程钻对结合剂强度的要求可由式(2)进行表示:

K-工况修正系数,主要受实际工况的影响,如钻压差异、混凝土级别、骨料种类、钢筋的密度等影响;

T-实际工作时钻机的输出扭矩,N.m;

R-钻头的半径,m;

As-整支钻头金刚石刀齿底面积,mm2;

Ad-金属结合剂包镶单颗金刚石的有效面积, mm2。

薄壁工程钻在实际工作中,会引起孕镶金刚石的金属结合剂产生微形变,如此微形变过大,则金刚石和金属结合剂界面会出现明显的裂隙,甚至金刚石会发生滑移;反之微形变过小,则结合剂不能有效缓冲钻切冲击力,使得金刚石受到的冲击力过大,引起脱落或破碎。由大量试验测试的数据得出,金属结合剂的变形性可用挠度来表示,而挠度可由式(3)进行计算。

K1-与金属结合剂弹性模量及韧性有关。

(下期续完)

[1] 张鹰.金刚石制品金属结合剂配方设计探讨[J].金刚石与磨料磨具工程,2000(2):9-11.

[2] 黄曼,陈哲,王凤荣,等.孕镶金刚石工具中金刚石与胎体间机械包镶力的研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2004(4):43-45.

[3] 孙毓超,宋月清.对结合剂中钴的再认识[J].人工晶体学报, 2002(6)31:605-613.

[4] 程文耿.金刚石工具胎体合金特征的探讨[J].超硬材料工程, 2011(3)23:31-38.

[5] 唐存印,章兼植.金刚石粒径和每克拉颗粒数的研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2002(130)4:32-34.

Influence of Strength and Micro-deformation of Metallic Bond on the Performance of Diamond Core Drill Bit

ZHANG Xu-hong,HOU Jun-yan,WANG Cheng-jun,LI Zhong-lin,LIN Qiang
(Diamond Tools Engineering and Technology Research Center of Hebei Province,Shijiazhuang,Hebei,China 050035)

The sintered density,hardness,and bending resistance are adopted to evaluate the technological properties of metal matrix diamond tools in the industry.This type of" static state"evaluation method is simple but inaccurate.There is no guiding significance for the operation performance design of the tools.The author has been trying to develop a quantification assessment method for the technological properties and operation performance of the tools without drilling test by using bending load-deflection as a"dynamic state"index to simulate the mechanics behaviors of the metallic bond of the tools in ctual working condition,supplemented by TEM topography measurement.The variation of bending load-deflection curves of three types of bonds(Co elementary substance, Co60Fe30Ni10 and Co50Fe30Cu10Ni10 atomized pre-alloy powders)under diffrent sintering temperature have been mainly studied in this artical.The strength and deflection formula has been derived by analyzing the mechanics behaviors of the diamond core drill bit in ctual working condition and has been tested through drilling test.

metallic bond,diamond core drill bit,bending load,deflection

TQ164

A

1673-1433(2015)06-0014-04

2015-09-12

张许红(1982-),男,工程师,2010年毕业于河北工业大学材料物理与化学专业,现主要从事超硬材料制品及应用技术研究。E-mail: zhang_xuhong@aliyun.com。

张许红,侯俊彦,王成军,等.金属结合剂强度和微形变对薄壁工程钻性能的影响[J].超硬材料工程,2015,27(6):14-17.