干式硬石材小規格薄壁鉆的研制

方利靈，董先龍，方嘯虎

（1．江蘇鋒泰工具有限公司，江蘇 鎮江 212300；2．上海昌潤極銳超硬材料有限公司，上海 200000）

引言

在經濟高速發展的大潮流中，我們金剛石行業通過不斷地推陳出新，與國內外相互競爭，從而取得了輝煌成就，隨著金剛石單晶技術，金屬粉末制法工藝的不斷改進，以及應用領域在不斷擴張，從普通的建筑混凝土、石材、石油地質勘探領域發展到應用半導體、精密機械制造、航天軍工、光伏發電等諸多領域，金剛石工具的潛力正在不斷地被發掘。同時由于國內外新的金剛石工具的不斷涌現，金剛石行業的競爭也就更加白熱化，各大廠商為了在國內外市場上立于不敗之地，不斷地研發新的制作工藝 ，應用新的金屬粉末，并在優化工具使用性能的同時最大限度地壓縮工具制作成本，以提高產品在市場中的競爭力。傳統工藝配方已不能滿足當今社會對工具的使用需求，以小規格石材干式薄壁鉆在建筑裝修中大量的應用為例，裝修中很多情況無法加水，如此一來對金剛石薄壁鉆胎體的耐熱磨損性是一大考驗，普通胎體由于大多為Fe、Cu、Co、Ni、Sn等元素組合的金屬胎體，由于金屬粉末之間在熱壓燒結過程中無法達到真正的合金化，胎體的致密度較低，粉末顆粒之間孔隙率較高，因此對金剛石的潤濕狀態相對較差，使得薄壁鉆在干式鉆切過程中容易發熱而導致鉆頭失效，而通過加入超細預合金粉末及一定比例的磷鐵合金，可以快速提高胎體的硬度、致密度和對金剛石的潤濕狀態，從而滿足該系列產品對市場特殊環境的使用要求。

1 試驗制作過程

1．1 配方原材料

銅粉：－300目 鐵粉：－500目 鈷粉：－400目 鎳粉：－300目 錫粉：－200目

超細Fe－Co預合金粉（粒度：2～3μm），磷合金粉：－300目

金剛石：SMD 30／40（靜壓強度≥300N ，TTI值≥45%）

1．2 試驗設備

TESCAN VEGA 3 SBH掃描電子顯微鏡；

金海威ASM80型熱壓燒結機；

BOSCH角磨機GWS22－230；

Wilson Wolpert洛氏硬度計；

德國飛羽激光焊接機。

1．3 實驗生產流程

選用規格Φ33×17×3．0×10mm打孔鉆，先配混料，混料時間為90min，然后經冷壓成型，激光焊接等工藝，具體流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖Fig．1 Experiment flow chart

1．4 打孔鉆實驗方法

選用河北石材中最有名的中國黑，其硬度相對其他花崗巖高，主要成分有長石，石英等，其莫氏硬度為7，用普通小刀，不能劃上印痕。

將做好的打孔鉆用砂輪打磨開刃后裝在BOSCH角磨機上，對中國黑20mm板材進行鉆孔實驗，通過施加同等重量進行鉆孔，為了保證實驗數據準確，實驗篩選一塊厚度均等的中國黑板材進行測試。

打孔鉆鋒利度用單次鉆通石材所耗用時間來表示，時間越短說明鋒利度越好，壽命用鉆頭長度消耗來衡量，每鉆10個孔測量一次刀頭尺寸消耗。

2 實驗步驟和內容

2．1 胎體的選用

打孔鉆需要在無法加水的情況下可以持續使用，因此該金剛石薄壁鉆胎體的耐熱磨損性要更優，故本實驗先選用以Co、Fe單質粉為基礎的金屬胎體，另外添加少量的Ni、Cu、Sn混合夾雜，配方代號為A，Co作為綜合性能最好的單質粉末，燒結溫度區間相對較寬，燒結后形成類似巨大的網狀結構，牢牢地與金剛石黏在一起而抓住金剛石 ，另外再選用一種鈷100%添加作為金剛石胎體，配方代號為B。為了提高胎體的自銳性，另外在A胎體中添加一定比例的磷鐵合金粉（含磷量約10%左右），配方代號為C，為了與基礎配方對比，又在基礎配方添加20%左右的超細Fe－Co預合金粉末，配方代號為D，該超細Fe－Co預合金粉費氏粒度達到2～3μm，松裝密度約為1．5～2．0g／cm3，主要成分為：Fe、Co、Ni、Cu、Sn，在基礎配方中同時再添加超細Fe－Co預合金粉和磷鐵合金粉，配方代號為E。具體胎體配方比例見表1所示：

表1 五種胎體成分配比Table 1 Composition proportion of five kinds of bonds

2．1．1 鈷基配方與純鈷基胎體性能作用對比

為了提供鈷在干鉆過程中的優勢，我們進行了A和B配方的對比試驗，設定燒結溫度780℃，250MPa，保溫2min，如圖2所示。

燒結后試驗對比分析，A＃配方打孔鉆在鉆切中國黑石材時只能鉆7個孔就逐步衰竭了，第8個孔就幾乎不能鉆了，如表2所示：

圖2 燒結工藝曲線圖Fig．2 Curve of sintering technology

表2 A和B實驗數據表Table 2 Experimental data of A and B

通過以上數據可以看出，普通高鈷基礎配方相比于純鈷配方的，干鉆在一定條件下還是存在著差距的，A＃經多次重復的實驗結果還是與上雷同，這主要是由于金剛石把持力不足過早脫落或最外層金剛石已被磨平無法自銳，而胎體過多的摩擦發熱最終導致鉆頭磨損失效，不能鉆切。而B＃ 相比于A＃ 胎體對金剛石的潤濕效果更好，內壁光滑，胎體斷面致密均勻，脫落坑邊沿可以看出胎體還有一定的脆性，如此有利于在干鉆中增加胎體磨損性，從而降低鉆切阻力而持續鉆孔。

圖3 A＃ 300倍組織微觀形貌Fig．3 The microstructure morphology of A （300X）

圖4 B＃ 250倍金剛石包裹狀態Fig．4 The diamond packaged status of B （250X）

由圖1和圖3我們看出，A＃金剛石脫落坑內壁較為粗糙，胎體對金剛石的包裹不夠完整，B＃脫落坑更加完整，胎體對金剛石的潤濕狀態更加明顯，圖2和圖4對比發現B＃ 胎體組織狀態極為均勻、細膩，而A＃顯得凹凸不平，組織很難燒結均勻。

2．1．2 添加磷鐵合金和超細Fe－Co預合金對胎體作用

通過在A＃基礎配方中添加磷鐵合金和Fe－Co預合金粉得到的另幾種配方，對比具體參數如表3、表4所示。

表3 C＃和D＃ 及E＃ 和韓國樣品 干鉆數據Table 3 Test data of C＃，D＃，E＃ and Korean dry drill samples

表4 五種胎體硬度參數Table 4 Hardness of five kinds of bond

由表3、表4中得知，C＃胎體中添加少量磷鐵合金提高了胎體硬度，在一定程度上改善了胎體的磨損性，同時提高了胎體對金剛石的支撐性，有利于在鉆頭刻取石材時保持良好的出刃高度，磨削更快；D＃胎體中由于加入超細Fe－Co預合金粉，胎體硬度相對提升，更重要的是胎體對金剛石的潤濕性狀態也大大改善；為了在D＃基礎上提升性能，在D中添加少量P－fe合金粉，弱化胎體，提高胎體自銳能力的E＃由表4可知相比D＃鋒利度又提升了一個檔次。

圖5 C＃ 300倍金剛石包裹狀態Fig．5 The diamond packaged status of C （300X）

由圖5中我們發現，由于基礎胎體不夠致密，加上加入一定的磷鐵合金，使得胎體的脆性大幅提高，金剛石脫落坑邊有不同程度的碎邊，胎體的磨損性大幅提高，但由于胎體脆性強，使得鉆頭在磨損過程中金剛石容易脫落，圖6觀察可以看出，由于引入了超細Fe－Co預合金粉，胎體潤濕狀態較好，致密化程度更好。

圖6 D＃ 250倍金剛石包裹狀態Fig．6 The diamond packaged status of D （250X）

由表4測試結果數據看出，E＃工藝產品鋒利度和壽命已經接近韓國樣品，圖7中金剛石脫落坑光滑、完整，邊沿幾乎沒有不規則斷裂層，而圖8中我們看出胎體組織均勻，伴有少量的脆性斷裂結構，胎體磨損性更好。

2．2 金剛石的濃度選擇

由于是干鉆，為了最大限度地降低切割阻力，我們選用抗壓強度＞350N和粒度30／40目數的金剛石來統一實驗，結果顯示，在干鉆過程中適合的濃度可以顯著改善鋒利度。

圖7 E＃胎體250倍微觀形貌Fig．7 Microstructure of bond E＃ （250X）

圖8 E＃胎體500倍微觀形貌Fig．8 Microstructure of bond E （500X）

表5 不同濃度金剛石鉆孔磨耗和鋒利度數據Table 5 Wear and sharpness test data of diamond drills with different diamond concentration

由表5可知，在選用低濃度時，由于金剛石數量少，胎體會經常與石材進行摩擦來不斷自銳新的金剛石，并且金剛石單顆粒受壓過大，在鉆孔時容易過快破碎或過早脫落，同時石材與胎體的接觸面積也會相應增大，隨著濃度提升，金剛石數量相應增多，切割阻力也就相對降低，金剛石單顆承受壓力小，可以穩固地刻取硬石材，鋒利度相應提高，但當濃度達到25%時，由于金剛石過多，金剛石間的間隙相應減少，鉆切巖粉對胎體的磨損速率下降，進而影響鉆頭金剛石的自銳性和出刃高度，鋒利度隨之下降，但鉆頭的壽命會有一定的提升，因此我們在做類似這方面的產品改進時需要根據工具使用情況來調整金剛石濃度。

3 結論

（1）由于金剛石胎體金屬粉末之間在熱壓燒結過程中無法達到真正的合金化，薄壁鉆在干式鉆切過程中與硬石材摩擦而快速發熱則薄壁鉆胎體由于受極高的溫度影響而逐漸變軟，與金剛石粘連在一起，而適當提高鈷含量或純鈷配方有利于提高胎體的熱穩定性和胎體的均勻度，增加磨損性。

（2）由于在無水條件下我們調制胎體時不僅要考慮胎體對金剛石潤濕的熱穩定性，同時還要兼顧胎體的易磨損性，磷鐵合金的適當添加能改善胎體韌性，提高自銳性。

（3）設計干鉆胎體時可以添加超細級預合金粉，尤其是對金剛石潤濕性較好的Fe－Co預合金，有利于快速提高胎體對金剛石的潤濕性和胎體的均勻度，提高工具鉆切性能。

（4）干鉆在選用低濃度時，要特別考慮胎體磨損性與金剛石的連續銜接，濃度太低，胎體的磨損過快，工具不耐用，當濃度過高時，由于金剛石過多，金剛石間的間隙相應減少，磨損速率下降也會影響鉆頭的鋒利度，因此我們在做類似這方面的產品時需要綜合考慮。

在此感謝方嘯虎教授在本文中諸多地方給予了寶貴的修改意見。

［1］ 董書山．金屬預合金粉末的組合應用特點及發展趨勢［M］．鄭州：河南工業大學，2013：329－331．

［2］ 方嘯虎．現代超硬材料與制品［M］．杭州：浙江大學出版社，2011：435－440．

［3］ 孫毓超，宋月清．金剛石工具制造理論與實踐［M］．鄭州：鄭州大學出版社，2005：38－43．

［4］ 許曉旺．金剛石制品制造工藝與配方［M］．鄭州：河南科學技術出版社，2006．：60．

［5］ 王秦生編著．金剛石燒結制品［M］．北京：中國標準出版社，2000：48－50．