基于混料设计的WC基复合胎体性能研究

黄 帆， 肖冬顺， 瞿 霞， 赵小军， 谭松成

(1.长江岩土工程总公司〈武汉〉，湖北 武汉 430000； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063； 3.中国地质大学〈武汉〉，湖北 武汉 430074)

0 引言

WC基复合胎体具有烧结温度高、硬度和耐磨性好、对金刚石的热损伤小等特点，因而被广泛应用于金刚石钻头钻进比较坚硬的地层中[1-4]。在WC基配方体系中，663-Cu由于其较低的烧结温度，好的成形性和可烧结性，并且与WC、Ni、Mn等金属的相容性好,被广泛用作粘结剂[2, 5-6]。在金刚石钻头中，胎体需要牢固地把持住金刚石。胎体对金刚石的把持力极大地决定了金刚石钻头的使用寿命和工作性能[7-9]，而钻头的胎体性能主要取决于胎体配方[10]。本文采用混料试验设计方法[11-12]，通过改变胎体配方中金属粉末的配比来进行试验，进而研究胎体配方变化对WC基复合胎体抗弯强度的作用规律，分析其对金刚石把持性能的影响大小。

1 实验方案设计

1.1 实验材料

WC粉：200目，纯度99.9%。663青铜(ZQSn663)粉：300目，纯度99.9%。硬质合金(YG8)粉：300目，纯度99.9%。锰(Mn)粉：200目，纯度99.9%。镍(Ni)粉：300目，纯度99.9%。金刚石：MBD8，35/40目。

1.2 制备工艺

按照混料试验设计原理，采用Design-Expert软件对胎体配方进行了设计，其中0≤WC≤55%、0≤YG8≤30%、20%≤663-Cu≤75%、15%≤(WC+YG8)≤70%、Ni=5%、Mn=5%，具体配方组成见表1。

表1 WC基复合胎体材料配方Table 1 Formulation of WC-based composite matrix material %

按照表1中的配方进行混料，然后使用SM-100A型智能电阻炉对胎体试块进行烧结。在制备含金刚石节块时，金刚石的体积浓度为25%。试验用胎体试样规格为5 mm×5 mm×30 mm，模具材料为高强石墨。本次研究仅考虑不同胎体配方对胎体抗弯强度的影响，依据经验采用的烧结工艺参数为：烧结温度920 ℃，保温时间4 min，烧结压力16 MPa，出炉温度650 ℃。

采用三点弯曲法测抗弯强度，在CTM2500微机控制型电子万能材料试验机上进行。试样的加载速度为10～20 mm/min，跨距24.5 mm。每个配方烧制3个空白胎体试样，3个含金刚石试样。每种胎体材料配方的抗弯强度测试值为3个数据的平均值。胎体抗弯强度计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：σ——胎体的抗弯强度，MPa；P——试样断裂时的载荷，N；l——支点间距，mm；b——试样宽度，mm；h——试样高度，mm。

在金刚石工具中，一般采用强度损失率q来间接的表示胎体对金刚石把持能力的大小[13-15]，其计算公式如下：

(2)

式中：σB——不含金刚石时胎体块的抗弯强度，MPa；σD——含金刚石时胎体块的抗弯强度，MPa。

2 实验结果与分析

2.1 空白胎体抗弯强度的方差与回归分析

抗弯强度测试的具体结果见表2。对空白胎体抗弯强度的实验数据进行方差与回归分析，发现线性混合模型的P值远小于0.05，关系显著；WC、YG、663-Cu三种成分交互作用的P值比0.05大得多，三者之间的交互作用很不显著(参见表3)。

表2 不同胎体配方的胎体抗弯强度测试结果Table 2 Test results of bending strength of different matrix formulations MPa

表3 方差与回归分析结果Table 3 Variance and regression analysis results

3种胎体成分含量变化对空白胎体抗弯强度的影响存在线性模型关系。设定WC、YG8和663-Cu的质量分数分别为X1%、X2%和X3%，回归方程为：

σB=11.90X1+14.47X2+7.49X3

(3)

由于X1%+X2%+X3%=90%，故回归方程可以降维处理，如下式所示：

σB=4.41X1+6.98X2+674.1

(4)

对回归方程与实际数据进行对比，可以直观的看到拟合效果很好(如图1所示)。另外从回归方程可知，从对抗弯强度的影响效果来看，YG8>WC>663-Cu；随着胎体成分中WC、YG8含量的增加，胎体的抗弯强度增加；随着663-Cu含量的增加，胎体的抗弯强度减小。

图1 空白胎体抗弯强度回归方程拟合效果Fig.1 Fitting effect of regression equation of bending strength of matrix without diamond

2.2 含金刚石胎体抗弯强度的方差与回归分析

对含金刚石的胎体进行方差和回归分析发现，线性模型显著。胎体成分对含金刚石胎体的抗弯强度影响的回归方程如式(5)所示，拟合效果如图2所示。

σB=6.32X1+7.94X2+4.41X3

(5)

图2 含金刚石胎体抗弯强度回归方程拟合效果Fig.2 Fitting effect of regression equation of bending strength of matrix with diamond

从回归方程可以看出，对含金刚石胎体的抗弯强度影响大小是YG8>WC>663-Cu；随着胎体成分中WC、YG8含量的增加，含金刚石胎体的抗弯强度增加；随着663-Cu含量的增加，含金刚石胎体的抗弯强度减小。

比较空白胎体和含金刚石胎体的抗弯强度，发现WC基复合胎体成分含量的变化对其影响比较一致，而对强度损失率的影响则不同(见图3)。WC、YG8、663-Cu对抗弯强度都有显著性影响，但是对强度损失率的影响不大。强度损失率的方差分析验证了这一点，没有任何影响因素的F值<0.05(见表4)。这意味着WC基复合胎体WC、YG8、663-Cu含量的变化对金刚石把持力能力的影响很小，不显著。只通过调整三者的成分比例，无法有效地改善胎体对金刚石的粘结状态，提高胎体对金刚石的把持力。

图3 试样的抗弯强度与强度损失率Fig.3 Bending strength and strength loss rate of specimens

表4 强度损失率的方差与回归分析结果Table 3 Variance and regression analysis results of strength loss rate

3 结论

本文采用混料设计的方法，研究了WC基复合胎体中WC、YG8、663-Cu含量变化对抗弯强度以及把持性能的影响规律。WC、YG8、663-Cu含量变化与空白胎体的抗弯强度、含金刚石胎体的抗弯强度之间的变化规律大体一致；WC、YG8、663-Cu含量变化对胎体抗弯强度有显著性影响，呈线性模型关系，并且得到了相应的回归方程；对胎体的抗弯强度影响大小是YG8>WC>663-Cu；WC、YG8、663-Cu含量变化对强度损失率影响不显著，只通过调整三者的成分比例，无法有效地改善胎体对金刚石的粘结状态，提高胎体对金刚石的把持力。本文的研究对于WC基复合胎体抗弯强度的定量评价有一定的指导意义。