一種造孔材料對金剛石薄壁鉆頭效率提高的研究

李運海，羅文來

（1．桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2．中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，廣西 桂林 541004）

1 前言

金剛石薄壁鉆頭作為一種用途廣泛的金剛石工具，在建筑裝修，混凝土拆除、植筋加固，混凝土、淺層地表取樣檢驗，設備安裝等方面都有廣泛的應用，市場需求潛力較大。金剛石薄壁鉆頭的鉆機絕大多數都是手工給進操作的，特別是遇到鋼筋時，鉆進明顯困難，勞動強度較大；而且工程應用中一般都有嚴格工期要求，所以如何提高薄壁鉆頭的效率，降低勞動強度是金剛石薄壁鉆頭開發的重點之一。因此，在薄壁鉆頭的研發中，眾多專家對其中的金剛石品級、濃度、粒度和結合劑等進行了大量的研究［1］，推出了很多優秀的產品。專家們對金剛石鉆頭的鉆進原理進行了大量的研究，例如大家公認的胎體磨損，金剛石消耗和材料去除率三者最佳匹配的胎體設計原則［2］。張紹和提出了“弱包鑲”來解決打滑鉆頭的思路［3］，宋月清提出“弱化”胎體的概念［4］，這些思路在進一步提高薄壁鉆頭的效率上有很多借鑒意義。龐豐提出向鉆頭胎體中添加造孔劑，降低胎體的耐磨性，以增強金剛石的出刃，提高鉆進時效［5］的思路。也就是說在某種狀態下通過適當添加一些“減弱”胎體本身強度的材料，可以達到提高鉆進效率的效果。

業內同行對添加劑進行了一些研究，常用的大多是非金屬，如石墨粉、玻璃粉、陶瓷空心球［6］，以及一些外層鍍覆金屬的石墨粉等［7］［8］。所有的弱化胎體設計的前提都是工具強度必須保證。胎體強度過低則整個工具都是不安全可靠的，胎體強度過高對提高效率又起不到作用。也就是說弱化的程度必須合適，針對不同的加工材料，加工方式，添加的材料和數量應該有不同的要求。

2 試驗方案

本文擬通過在胎體中添加造孔劑N，檢測其對純Co胎體中的強度硬度變化，并進行鉆進鋼筋混凝土的對比試驗。同時將N添加到CoFe基胎體和FeCu基胎體中，金剛石完全一致，做成Φ63／20×3．5×10規格的薄壁鉆頭，進行鉆進對比試驗，檢測添加劑N在不同基胎體中的鋒利度表現。

表1 胎體試驗方案設計表Table 1 Parameter design of testing

表2 鉆進試驗鉆頭方案設計表Table 2 Drilling testing program design

3 試驗材料與設備

3.1 試驗材料

試驗材料主要為超細Co粉（－400目），超細Fe粉（－400目），電解Cu粉（－250目），N添加劑（－100目），40／45、45／50金剛石。訂制的C35混凝土，厚度270mm，含兩層Φ25mm直徑的Q235材質螺紋鋼筋，混凝土骨料為鵝卵石。

3.2 試驗設備

三維混料機，手動冷壓機，SMVB60真空熱壓燒結機，CMT4304萬能材料試驗機，光學顯微鏡；HZQ－200C型工程水鉆機，功率2．5kW，空載轉速850r／min。

3.3 試驗方法

按上述胎體的理論密度計算投料稱重，在真空熱壓燒結機中燒結成（30×12×6）mm試驗樣塊，燒結工藝見圖1所示。分別檢測試驗樣塊HRB硬度、抗彎強度。加入同樣品級、粒度、濃度的金剛石，制作成Φ63／20×3．5×10規格的薄壁鉆頭，用激光焊接到鉆管基體上，同樣條件下開刃，進行鉆進試驗。鉆進試驗分別記錄鉆進混凝土和鉆進鋼筋的時間。為保證鉆進試驗的一致性，鉆進前測量好混凝土中埋鋼筋的位置，保證鉆進鋼筋的截面一致，如圖7所示，鉆進過程控制同樣的水流量。

圖1 試樣熱壓燒結工藝曲線圖Fig．1 Hot Pressing sintering curve

4 實驗結果與分析

4.1 胎體試驗結果

胎體強度和硬度檢測的效果如圖2和圖3所示，隨著添加劑N的加入量提高，抗彎強度逐漸降低，添加量為2%，強度由純Co的93%，下降7%，添加量為4%，強度為原來的84%，下降16%，在超過4%后下降速度快，添加量為6%，強度下降到達35%。硬度也呈現同樣的趨勢。各項性能結果見表3。

圖2 N含量與抗彎強度的關系Fig．2 Relationship between N content and bending strength

圖3 N含量與HRB硬度的關系Fig．3 Relationship between N content and hardness

表3 N添加量對Co胎體的強度影響Table 3 Effect of N addition on strength of Co matrix

分析原因，N是一種較軟的材料，密度小，只有3．81g／cm3，與金屬粘接性較差，加入N時類似在胎體中增加空隙，所以隨著N的量提高，胎體強度和硬度都在降低，而在其比例達到一定程度時，在胎體中的體積所占比例更大，強度和硬度下降就更就明顯。但相對在高鐵基胎體加入1%石墨，強度下降32%［6］，N添加劑在Co胎體中的下降量小得多。也就是說N可以在保證強度的前提下制造更多的空隙，利于提高切割或鉆進的效率。

4.2 鉆進試驗結果

鉆進試驗見表4。從表4可看到，N的添加對純Co、FeCu基、CoFe基胎體鉆頭的效率都有提高，尤其是鉆鋼筋時效率提高較明顯。其中對純Co鉆頭效率提高最大，鉆混凝土效率提高62%，鉆鋼筋提高102%；對FeCu基鉆頭鉆混凝土效率提高8%，鉆鋼筋提高16%；在CoFe基鉆頭中鉆進混凝土降低了2%，而鉆進鋼筋時效率提高了26%，所以總效率還是有提高的。

表4 N添加量對不同胎體的鉆進效率影響Table 4 Influence of N addition on drilling efficiency of different matrix

圖4 各胎體鉆進效率對比Fig．4 Comparison of drilling efficiency of different matrix

圖5 純Co刀頭鉆進后工作面狀況Fig．5 Status of working face of the pure Co segment after drilling

圖6 Co＋N2%刀頭鉆進后工作面狀況Fig．6 Status of working face of the segment with Co＋N2%after drilling

圖7 鉆取的混凝土芯Fig．7 Concrete core

5 分析討論

從上面的數據看，添加劑N對鋼筋混凝土鉆進效率提高是較有效的，尤其明顯的是在Co基胎體中，鉆進鋼筋效率提高近一倍。分析原因，混凝土中含有石英砂、碎石，本身是一種具有較強研磨性的材料，純混凝土的鉆進一般選擇高強度的Co基配方，鉆純混凝土效率不存在問題。對于含鋼筋的混凝土，由于金剛石本質是碳，和鐵很容易起反應，鉆進時接觸溫度高，容易將金剛石銳角磨鈍（如圖5所示）從而降低鋒利度，甚至產生“打滑”的狀況。添加劑N是一種可以制造孔隙的材料，通過這些微小的孔隙“弱化”了胎體，使胎體磨損加快，使得金剛石更容易出刃；其次這些孔隙在工作時又能容納更多的冷卻液，降低了金剛石切削接觸產生的溫度，有利于保持金剛石切削銳角（如圖6所示）。對比圖5和圖6，可以明顯看到圖6的金剛石銳角保持明顯比圖5好。金剛石保持尖銳的刃角，可以較輕松刻入所加工材料。所以添加N材料的鉆頭，鉆進鋼筋的速度都有提高。

鉆進純混凝土時，由于混凝土具有較強的研磨性，胎體和金剛石出刃已經處于一種良好的狀態，鉆進效率達到該配方中較好的水平，因此再添加造孔的材料，就不能起更明顯的效果。從表4數據看，原本鉆進純混凝土效率越高的胎體，添加N后效率提高就越不明顯，甚至稍有下降。也從側面證明添加造孔材料弱化胎體來提高鋒利度的方式不是所有的情況下都有效的，胎體和鉆進材料不同，效果也不同。

6 結論

根據試驗結果和分析可得出以下結論：

（1）在純鈷胎體中加入添加劑N，胎體強度和硬度都有所下降，N含量在4%，強度下降16%，超過4%的含量后，下降幅度急劇加大，到6%時，強度下降35%；

（2）鉆進試驗，添加N后鉆進鋼筋效率都有不同程度的提高，對純鈷胎體提高明顯。鉆進純混凝土時，原本鉆進效率高的，添加N越不明顯，甚至可能鉆進效率略有降低。

（3）選擇采用“弱化”胎體的方式提高效率，應針對不同的加工對象及使用胎體本身來選擇，才能達到較好的效果。

（4）保持工作中金剛石的棱角銳利，對工具的鋒利度有較大影響。

參考文獻：

［1］ 王智慧，謝志剛，等．鋼筋混凝土金剛石薄壁鉆頭用結合劑及金剛石的研究［J］．超硬材料工程，2006（5）：11－14．

［2］ 張許紅，侯俊彥，等．金屬結合劑強度和微變形對薄壁工程鉆性能的影響［C］．第9界中國金剛石相關材料及應用學術研討會，2015．8．

［3］ 張紹和，魯凡，等．弱包鑲強耐磨性胎體鉆頭［J］．探礦工程，1997（2）：35－36；

［4］ 宋月清，甘長炎，等．金剛石工具胎體材料的性能“弱化”問題初探［J］．金剛石與磨料模具工程，1997（5）：2－5．

［5］ 龐豐，段隆臣，等．鉆進打滑地層時造孔劑對鑲金剛石鉆頭性能的影響［J］．粉末冶金材料科學與工程，2014（5）：790－796．

［6］ 宋月清，孫毓超，等．非金屬粉添加劑在弱研磨性石材切割工具中的應用［J］．工業金剛石，2005（2）：26－35．

［7］ 韓娟，姚炯彬，等．碳含量對高鐵基胎體金剛石工具性能的影響［J］．粉末冶金材料科學與工程，2011（8）：625－629．

［8］ 劉一波，曹彩婷，等．石墨材料對銅錫胎體性能影響的實驗研究［J］．超硬材料工程，2016（3）：18－21．