金刚石复合球齿配方设计与优化

莫铭忠,刘振辉,莫一君

(桂林星钻超硬材料有限公司，广西 桂林 541004)

金刚石复合球齿配方设计与优化

莫铭忠,刘振辉,莫一君

(桂林星钻超硬材料有限公司，广西 桂林 541004)

硬质合金球齿以高硬度和良好的抗冲击性在冲击钻进中得到了广泛应用，但其耐磨性不高，在使用过程中会因为磨损过快从而导致钻头失效，金刚石复合球齿是其理想的替代品，近年来国内外知名公司均投入大量财力物力进行开发。文章根据使用性能需求进行配方组配，分析研究各变量引起的产品性能变化，以期开发出一种使用效果较好的金刚石复合球齿。

金刚石复合球齿;冲击钻头;耐热性;抗冲击性能;耐磨性

1 前言

冲击钻进是实现快速钻进的一种常规手段，硬质合金球齿以其较高的硬度和良好的抗冲击性能在冲击钻进中得到广泛的应用。但由于冲击钻进类钻头不仅要承受较高的冲击功，还要具有一定的耐磨性抵抗由钻头转动时与硬岩的摩擦，而硬质合金球齿的材质导致其耐磨性能不高，在使用过程中会因磨损过快使得钻头失效，虽然国内外有关科技人员对硬质合金的性能做了大量的研究，如新成分合金、稀土改性合金、功能梯度合金等[1-4]。但并不能从根本上改变硬质合金球齿的耐磨性能。

鉴于上述原因，国内外的科技人员由上世纪80年代就开始展开了金刚石强化硬质合金球齿的研究，当时的美国梅加金刚石公司、史密斯国际公司等都相继研制出可代替低风压潜孔钻头、牙轮钻头、钎头等金刚石强化型硬质合金球齿，并在实际使用中取得良好效果。我国的金刚石强化合金球齿研究工作也开展较早，刘宝昌博士研究了两层过渡层的金刚石强化球齿[5]，李宏利等人研究了潜孔钻头的现场使用结果[6]，王佳亮等人研究了单层金刚石复合片球齿的抗冲击性能及其影响因素[7]，取得了一些进展，但目前国内的球齿生产商仍然是引进国外成熟技术进行生产，其生产成本高，难以在国内进行大范围的推广使用。笔者认为，冲击钻进钻头金刚石强化球齿，应具有较高的抗冲击性能，其次要具有较高的耐热性能，再者就是有一定的耐磨性。根据前人的研究总结，在满足一定抗冲击性能的需求下，应提高金刚石复合球齿的耐热性和耐磨性，抵抗冲击时产生的高温。本文根据使用性能需求进行配方组配，分析研究各变量引起的产品性能变化，以期开发出一种使用效果较好的金刚石复合球齿。

2 实验设计及检测方法

实验以1422球齿作为评估对象，研究金刚石聚晶中的A、B两种粘结剂的添加量、金刚石粒度等因素的变化对合成金刚石复合齿的耐热性、抗冲击韧性的影响。

主要实验设备包括：超声波清洗设备、真空还原设备、四柱压机、420六面顶压机、喷砂设备、外圆磨设备、平面磨设备、马弗炉、高频焊接机、立式车床、抗冲击检测设备等。

原材料处理：金刚石微粉、添加剂、硬质合金基体均经过700℃、3小时高温还原和700℃、3小时、1×10-3Pa真空处理。

合成块组装：按常规组装工艺将经高温还原、真空处理后的料模转入叶蜡石块中，组装简示如图1。

合成条件：420六面顶液压机，合成压力5.5±0.2GPa，合成温度1450℃±50℃,烧结时间15min。

烧结后样品处理：经过喷砂处理后，按图2样品尺寸要求进行外圆和平面磨削，并倒角。

样品耐热性能检测：将样品放置于马弗炉中在750℃加热15min，取出自然冷却后，在显微镜下观察金刚石聚晶层表面情况。

样品抗冲击韧性测试：自由落锤实验，落锤重10kg，从30J开始每冲击10次增加10J冲击功，直到实验对象破碎为止，计算各次实验累计冲击功。冲击方式如图3所示。

图1 组装简示图Fig.1 Assembly schematic diagram

图2 样品尺寸(mm)Fig.2 Sample size (mm)

3 实验及结果分析

3.1 不同A粘接剂添加量对金刚石复合齿耐热性、抗冲击韧性的影响

以W28金刚石微粉和一定粒度的A、B粘接剂微粉为原料，固定金刚石和B粘接剂(金属陶瓷)微粉含量，添加不同含量的A粘接剂(韧性金属)微粉制备1422金刚石复合球齿。分别检测其耐热性、抗冲击韧性，每个实验编号检测5片1422金刚石复合球齿，取平均值，结果如表1所示。

表1 不同A粘接剂添加量金刚石复合球齿性能检测结果

从表1的检测结果看，金刚石复合球齿的聚晶层中添加的A添加剂含量越高，其耐热性能越差，而抗冲击性能越好。由于A粘接剂为韧性金属，其热膨胀系数与金刚石颗粒、硬质合金基体的热膨胀系数相差较大，当金刚石复合球齿处于高热条件下，聚晶层中添加的A添加剂、金刚石颗粒与硬质合金基体产生体积膨胀不同步而导致局部区域裂纹产生、扩展，最终体现为金刚石复合球齿的聚晶层开裂或脱层。而韧性金属A添加剂的加入，在被冲击过程中其产生的塑性形变可承受更多的冲击功，表现为金刚石复合球齿的抗冲击性能越好。

3.2 不同B粘接剂添加量对金刚石复合齿耐热性、抗冲击韧性的影响

以W28金刚石微粉和一定粒度的A、B粘接剂微粉为原料，固定金刚石和A粘接剂(韧性金属)微粉含量，添加不同含量的B粘接剂(金属陶瓷)微粉制备1422金刚石复合球齿。分别检测其耐热性、抗冲击韧性，每个实验编号检测5片1422金刚石复合球齿，取平均值，结果如表2所示。

表2 不同B粘接剂添加量金刚石复合球齿性能检测结果

从表2的检测结果看，随着金刚石复合球齿的聚晶层中添加的B粘接剂的增多，其耐热性能越好，而抗冲击性能呈先增加后降低的趋势。由于B粘接剂为金属陶瓷，其热膨胀系数与金刚石颗粒、硬质合金基体的热膨胀系数相对接近，且自身耐热性能较好，当金刚石复合球齿处于高热条件下，聚晶层中添加的A添加剂、金刚石颗粒与硬质合金基体产生体积膨胀差不是很大，不足以导致局部区域裂纹产生、扩展，最终体现为金刚石复合球齿具有良好的耐热性能。而随着金属陶瓷B添加剂的增加，其与A粘接剂能形成合金，在被冲击过程也可承受更多的冲击功，表现为金刚石复合球齿的抗冲击性能越好，但当其加入量过多，除与A粘接剂形成合金所需外，剩余的B添加剂表现出陶瓷的脆性，相应影响金刚石复合球齿的抗冲击性能。

3.3 不同金刚石微粉粒度对金刚石复合齿耐热性、抗冲击韧性的影响

以W28金刚石微粉和一定粒度的A、B粘接剂微粉为原料，固定A、B粘接剂微粉含量，使用不同粒度的金刚石微粉制备1422金刚石复合球齿。分别检测其耐热性、抗冲击韧性，每个实验编号检测5片1422金刚石复合球齿，取平均值，结果如表3所示。

表3 不同金刚石微分粒度金刚石复合球齿性能检测结果

从表3的检测结果看，在合适添加剂量且加入量不变的情况下，金刚石微粉粒度越粗，金刚石复合球齿耐热性能、抗冲击性能越好。笔者认为这主要是金刚石表面洁净状态不同引起的，由于使用的金刚石颗粒较小，其表面积比较大，吸附气体等杂质能力较强，在相同的还原处理和真空处理条件下，金刚石微粉粒度越粗，其表面洁净度越高，金刚石颗粒之间、金刚石颗粒与粘结剂之间的结合强度越大，其耐热性能、抗冲击性能也就越好。

4 结论与建议

(1)金刚石复合球齿配方中韧性添加剂含量越高，抗冲击性能越好，耐热性能越差。

(2)金刚石复合球齿配方中在一定范围内耐热陶瓷添加剂含量越高，其耐热性能、抗冲击性能越好，但陶瓷添加剂加入过量，不利于其抗冲击性能的提高和保持。

(3)金刚石复合球齿配方中金刚石微粉粒度越粗，其耐热性能、抗冲击性能越好。

由于金刚石复合球齿的使用情况要求其要具有较高的抗冲击性能。而金刚石复合球齿特殊的结合面加上金刚石层和硬质合金基体较大的热膨胀系数使得其内应力过大，从而降低金刚石层的结合能力。目前解决办法多为采用多层不同金刚石浓度料层过渡[8][9]，以降低金刚石层的残余应力。例如采用本研究中编号9、编号10作为过渡层，用编号13、编号14作为工作层进行金刚石复合球齿制备，这样既满足一定的抗冲击韧性要求，同时具有较高的耐热性。实际生产中可以根据使用需求灵活调换配方。

[1] 周建华，卢伟民.YJ2.1、YJ1.1矿山凿岩硬质合金的开发与应用[J].稀有金属与硬质合金，2001，(147)：10-12，17．

[2] 谭映国，符夷雄，刘海强.凿岩钻头用WC-Fe/Ni/Co硬质合金的研究[J].硬质合金，1997，14(1):1-5．

[3] 张立，孙宝琦.国外WC-Co硬质合金中钴的替代研究概况[J].湖南冶金，1995(6)：54-56，62．

[4] 李书福.金属间化合物粘结的碳化钨基硬质合金的研制[J].硬质合金，2000，17(4)：200-203．

[5] 刘宝昌. 新型梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿的研究[D].吉林：吉林大学，2005．

[6] 李宏利，于庆增，王绍丽，等.金刚石复合齿潜孔钻头的研究与应用[J].超硬材料工程，2013,25(1)：16-19．

[7] 王佳亮，张绍和，杨昆.潜孔钻头复合片球齿的抗冲击性能[J].粉末冶金材料科学与工程，2014,19(3)：479-485．

[8] 美国专利，US20130168115．

[9] 美国专利，US20130248259．

Design and Optimization of Diamond Composite Spherical Button Formula

MO Ming-zhong, LIU Zhen-hui, MO Yi-jun

(GuilinStarDiamondSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi,China541004)

Cemented carbide spherical button are widely used in impact drilling because of its high hardness and excellent impact resistance. However, the drill bit is easily worn out due to its low abrasive resistance. The diamond composite spherical button is an ideal substitute for it. In recent years, various international and domestic renowned companies have put substantial financial resources into the research and development of it. The formula has been developed according to its performance requirement, and the change of product performance caused by all variables has been analyzed in order to develop a diamond composite spherical button with excellent application result.

diamond composite spherical button; impact drill bit; heat resistance; impact resistance; abrasion resistance

2017-02-10

广西科学研究与技术开发计划项目(桂科AC16380092)、桂林市科学研究与技术开发计划项目(2016010701-2)(20160220-1)

莫铭忠(1964-)，男，本科，工程师, 电气自动化专业。2008年起从事超硬复合材料研究开发工作。E-mail：mmz@gk-pdc.com。

莫一君(1990-)，男，本科，学士，材料科学与工程专业专业，从事超硬复合材料研究开发工作。E-mail：380177164@qq.com。

莫铭忠,刘振辉,莫一君.金刚石复合球齿配方设计与优化[J].超硬材料工程，2017，29(2)：12-15.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0012-04