扩孔器生产工艺改进过程中的质量问题及解决措施

韩菲，冯琳，赵俊彩，李晓磊

(1. 中国地质装备集团有限公司，北京　100102；2. 无锡钻探工具厂有限公司，江苏 无锡　214174)



扩孔器生产工艺改进过程中的质量问题及解决措施

韩菲1，冯琳1，赵俊彩2，李晓磊2

(1. 中国地质装备集团有限公司，北京100102；2. 无锡钻探工具厂有限公司，江苏 无锡214174)

摘要：使用中频炉采用无压浸渍法烧结扩孔器，解决了生产中马弗炉烧结扩孔器的弊端，并通过不断的摸索，采取各种措施解决了工艺改进过程中发现的问题，取得了良好的应用效果。

关键词:扩孔器；中频炉；无压浸渍；工艺；质量

0前言

无压浸渍法生产扩孔器，是粉末冶金工艺生产扩孔器的一种方法。将定量具有一定粒度配比的骨架粉末装入已粘好聚晶的扩孔器组合模具中，进行敲振，使骨架粉料达到一定的振实密度，再加入一定量的粘结金属，不施加压力，靠毛细管的作用使粘结金属浸入到骨架粉末中，形成一种环状的具有良好机械性能的假相合金(胎体)，同时粘结金属、骨架粉料与钢体成为一体的方法。

1马弗炉烧结存在的问题

我们生产中一直延用的烧结方式为马弗炉烧结，但是生产中发现了马弗炉烧结的一些问题亟待解决。首先，马弗炉的炉膛温度不均匀，炉门和热电偶附近温差较大，容易出现放置在热电偶附近的扩孔器烧结正常，而炉门附近扩孔器存在阴阳脸、欠烧的现象；其次，由于炉内温度的不均匀性，为保证生产质量，炉膛内不可放置过多的扩孔器同时烧结，极大的降低了生产效率，造成生产成本的上升；第三，马弗炉升温的时间较长，从室温升至扩孔器的烧结温度，一般需要2~3个小时，扩孔器出炉马弗炉降温迅速，再放入下一炉产品又需要很长的升温时间，生产效率低下；第四，我们使用的粘结金属为锌白铜，锌白铜内的锌容易出现蒸发现象，锌汽化后蒸发形成的气体封闭在马弗炉内冷凝后侵蚀炉子的顶部及底部耐火砖，每年马弗炉需要定期进行修缮；第五，使用马弗炉烧结，需使用成套的石墨模具(型模及底模)以保护钢体，石墨模具的成本较高；第六，我们现用的马弗炉，炉内空间是封闭的，不能直观的观测到粘结金属的融化情况。

因此，我们尝试改用烧结钻头用的中频炉来烧结扩孔器，遇到一些问题并采取措施来解决。

2中频炉烧结工艺改进中遇到的问题

2.1型模、衬套炸裂

在中频烧结升温过程中，出现型模及衬套炸裂的情况，此时如果继续烧结，粘结金属会迅速流走，造成扩孔器烧结失败。

中频烧结发生炸模的原因是：

(1)延用马弗炉烧结的型模模具设计，型模的厚度偏薄，中频炉的升温速率快，由于钢体的热膨胀系数大于石墨，在升温过程中，钢体的变形大，石墨膨胀小，同样的型模厚度在使用中频烧结时不足以抵御钢体及骨架粉料升温速度较快时较高的径向力。

(2)型模和衬套的公差配合不合理，若型模和衬套的间隙过大，型模对衬套没有径向力的作用，使用中频升温速度相对较快，会发生炸模。

(3)延用马弗炉烧结的钢体尺寸，衬套和钢体的间隙过小，钢体膨胀快造成炸模，同时试验过程中发现扩孔器钢基体外圈的骨架粉料层也不可过厚，过厚同样容易造成炸模现象。

(4)待烧结扩孔器钢体的内径未加工，扩孔器钢体内径越小，厚度越厚，钢体热膨胀越大，容易炸模。

(5)扩孔器组装过程中敲击时间过长、力度过大，造成骨架粉料的振实密度过大，更容易胀裂模具。

解决措施：增加型模厚度；定期筛查模具尺寸，设计合理的模具及钢体尺寸；使用振筛机，获得统一的组装效果；控制烧结工艺的升温速度。

2.2模具的设计及改进

马弗炉加热方式为整体加热，需要采用底模来保护扩孔器钢体同时支撑型模，而使用中频炉感应线圈可以对粉料位置进行局部加热，我们尝试改进模具，不再使用底模，设计组装专用模具来对扩孔器进行敲振装料，同时能减轻组合模具重量，便于烧结工人夹持。

先将加工好的钢体放入组装专用底模模具内，保证衬套与钢体组装螺纹位置的同心度控制良好，放上型模，由衬套来支撑型模的重量，装入骨架粉末，敲振后放入中频炉中烧结，感应圈高度中心的位置与粉料中心位置高度相同。型模上端略高于钢体，在加热时避免钢体加热过快，造成模具的炸裂。型模设计合理，衬套与型模接触位置在烧结过程中不会有氧化，型模仍然可以多次重复使用。

2.3胎体下边缘夹生

在中频烧结试验时，出现扩孔器胎体粉料下边缘夹生的现象。设定的烧结工艺完成后，用钢锯条对胎体进行锯切，发现胎体上部呈现强金属光泽，下部无明显的金属光泽，呈现灰色的骨架粉料颜色，并且有小块的剥落。

胎体夹生的原因：马弗炉烧结扩孔器时间长，一炉烧结时间在2～3小时左右，但是在中频烧结时，我们烧结时间缩短，就出现了胎体未烧透的现象。

解决措施：对扩孔器骨架粉料配方进行调整并进行合适振实密度的试验。我们的骨架粉料以W2C及WC为主，骨架材料中W2C由不同种粒度组成，对不同粒度的粉料含量进行调整，适当提高W2C的整体粒度。胎体的振实密度不宜过高，能够在一定的保温时间内，保证粘结金属熔渗到扩孔器胎体的下边缘；流动速度又不宜过快，影响浸渍金属和钢基体的粘结效果。粗颗粒的W2C具有更优异的耐磨性，细颗粒的W2C及WC粉末能顺利的填充到粗颗粒的间隙，保证胎体骨架粉末的粒度搭配在一个合适的范围内，使胎体能够具有良好的耐磨和机械性能。

2.4粘结金属的选择

在试验时，试用了某种牌号的黄铜合金浸浇料及生产中一直使用的锌白铜进行熔渗烧结，对烧结工艺进行调整、试验，在烧制大规格或加大系列胎体的扩孔器时，由于胎体及钢体的热膨胀较大，使用黄铜合金浸浇料扩孔器的胎体易剥离钢体。

将烧结好的扩孔器试样横向放置于试验机的V型铁上，手动操作施加相同的压力，当扩孔器试样受压变形，胎体径向位移相同时，停止压力，取出压扁的扩孔器试样。显微镜下观察，用黄铜合金浸浇料扩孔器的胎体与钢体螺纹有清晰的界限，部分位置出现脱离，可以看到钢体螺纹；而采用锌白铜浸渍的扩孔器胎体与钢体螺纹已经融为一体，没有剥离倾向。

尽管黄铜浸浇料的生产成本较低，不存在锌蒸汽蒸发对设备的危害，为了保证产品质量，继续选择锌白铜作为浸渍金属。

2.5烧结工艺的调整

马弗炉加热速率不超过10℃/min，保温时间20min，烧结过程不可目测，需要进行首炉的检验调整。中频炉可以通过调节功率来调整加热速率，加热效率较高，根据规格不同将扩孔器的保温时间控制在8min上下，保温温度高于浸渍金属熔化温度10～20℃，此时浸渍金属处于熔融状态，流动性较好，不会产生大量浸渍金属蒸发或流失的过烧现象。

2.6其他问题

聚晶周围有缺料的现象，原因可能是聚晶的上表面容易阻碍粉末的流动，粉末流动缓慢，形成搭桥或者聚晶粘接过程中使用粘接剂较多。

解决措施：合理调整配方后，聚晶缺料现象减少；同时注意粘结聚晶时尽量减少粘结剂的用量，避免粘结剂使用过多造成缺料现象。

扩孔器钢体在烧结过程中出现钢体熔蚀现象，可能存在两种原因：一种是石墨模具碰到钢体，活性碳原子被钢体表面吸收融入表面奥氏体，奥氏体含碳量增加，形成熔蚀位置表面渗碳现象，钢体硬度显著提高，造成扩孔器后期机加工困难，容易崩坏刀刃；一种是由于熔融金属沸腾、铜金属渗入钢体，钢体位置呈现浸渍金属的颜色，可能会造成扩孔器使用过程中出现断裂。

解决措施：使用石墨隔离模具，将浸渍金属装在隔离模具外，避免浸渍金属过度渗入钢体内。同时隔离模具和钢体之间要隔开，避免钢体渗碳。

3结论

采用中频炉替代马弗炉烧结扩孔器，不断地调整和改进工艺，显著提高了生产效率，降低了生产成本。通过客户近一年来的使用反馈，改进后的扩孔器取得了良好的应用效果。

作者简介：韩菲(1985-)，女，汉族，工程师，北京科技大学材料专业硕士毕业，主要从事金刚石钻探工具及制品研发工作，E-mail:hanfei@cgeg.com.cn。

收稿日期：2015-10-09

中图分类号:P634.42

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)01-0023-02