鉆進鋼筋混凝土金剛石薄壁鉆頭研究

0 引言

現階段樁基檢測鉆芯法中金剛石薄壁鉆頭是最重要的直接破碎混凝土的工具，鉆頭的性能極大地影響著鉆進速度和經濟效益。另外，金剛石薄壁鉆頭還可在建筑物（如鋼筋混凝土、磚墻）、公路、橋梁、石材上鉆出圓孔和圓柱芯，用于管道鋪設及設備安裝等。因此，對樁基混凝土抽芯質量檢測和鉆進的金剛石工程薄壁鉆頭的需求日益增多，有巨大的經濟效益和社會效益，本文將研究鉆進鋼筋混凝土用金剛石鉆頭的胎體配方、鉆頭結構、金剛石參數和燒結工藝。

1金剛石鉆頭的設計

鋼筋混凝土作為一種由水泥、碎石骨料和鋼筋構成的三相復合材料，具有結構致密、強度高的特點。其力學特性決定了金剛石鉆頭在鉆進過程中難以實現體積破碎，只能通過表面破碎方式逐步磨削，導致鉆進效率低下。同時，鋼筋組分易引發鉆頭異常斷齒，而巖粉對胎體磨損不足又造成金剛石出刃困難，嚴重影響施工進度并增加勘探成本。

現有地質勘探用金剛石鉆頭在鋼筋混凝土鉆進作業中普遍存在效率低下、壽命不足和斷齒脫落等技術瓶頸[1-2]。針對這些問題，本文將從胎體配方、鉆頭結構和金剛石參數等維度設計金剛石鉆頭。

1.1金剛石鉆頭胎體配方設計

現有的研究認為，目前綜合性能較理想的胎體材料是碳化鎢基胎體和鈷基胎體。但碳化鎢和鈷的價格昂貴，Co資源匱乏，碳化鎢基胎體WC粉含量高，且冷壓成型性差[3]。而現有的Fe基的胎體材料力學性能較好，可成行性高，成本低，從而被廣泛使用[4]。因此，本文根據鋼筋混凝土層特點和鉆頭胎體性能要求，選擇 Ni-Fe-Sn-Cu 預合金粉為胎體材料，充分利用 Ni-Fe-Sn-Cu 合金的塑性和耐磨性，增加金剛石的包鑲強度，可以有效提高鉆頭的壽命。因此，本文設計以Cr-Fe預合金粉、Ni-Fe-Sn-Cu預合金粉、Cr-Ni-Fe預合金粉、 Co 、 ΔNi 、金屬粘結劑等金屬材料為金剛石鉆頭胎體配方，共設置三組。

（1）L1配方。Cr-Fe預合金粉 5% 、Ni-FeSn-Cu 預合金粉 18% 、 Cr-Ni-Fe 預合金粉 15% ！ 金屬粘結劑 47% 、 Co5% 、 Ni10% 。 (2）L2配方。Cr-Fe預合金粉 5% 、Ni-FeSn-Cu預合金粉 20% 、 Cr-Ni-Fe 預合金粉 15% ！ 金屬粘結劑 40% 、 Col0% 、 Ni10% 。 (3）L3配方。Cr-Fe預合金粉 5% 、Ni-FeSn-Cu 預合金粉 20% 、 Cr-Ni-Fe 預合金粉 20% 、 金屬粘結劑 41% 、 Co8% 、 Ni6% 。

1.2金剛石鉆頭結構設計

根據鋼筋混凝土性能特點，鉆頭考慮分層結構設計。通過冷壓成型使鉆頭在徑向方向上的內層、中間層、外層相應部位的胎體，具有不同寬度與性能。鉆頭胎塊由多層胎塊薄片由內而外疊加組成，共設計7層，最內層的胎塊薄片為第一層。第1、3、5、7層為主工作層，含金剛石，強研磨性，鉆進形成“凸”狀；第2、4、6層不含金剛石，為輔工作層，弱研磨性，鉆進形成“凹”狀。主輔工作層交錯組合，鉆進時，鉆頭以尖端開槽，壓力提高，鉆頭快速出刃，效率提高。其中1、7層金剛石設計為細顆粒高濃度，可減少磨損和金剛石間隙的作用，延長使用壽命；3、

5層設計為粗顆粒低濃度，巖石更易破碎。

1.3 金剛石參數設計

基于分層結構設計原理及胎塊薄片差異化磨損特性，采用梯度化金剛石參數配置方案。

（1）第1、7層金剛石粒度設計為 35/40:40/ 45:45/50:50/60=10:10:40:40， 0

(2）第3、5層金剛石粒度設計為 40:40/45:45/50=10:10:40:40 ，濃度為 19% 。

2金剛石鉆頭燒結工藝

本次鉆頭設計三組胎體配方，試樣分為不加金剛石和加金剛石試樣。根據Fe預合金粉的特點，確定的熱壓燒結工藝[5]為：空白試樣燒結溫度分別為

860% 、 880% 、 900^°C 、 920% ；加金剛石試樣燒結溫度分別為 900^°C 、 920% 、 940% 、 960^°C 。燒結壓力20Mpa ，保溫時間 5min^[6] 。金剛石粒度設計為 40/ 45μs ，金剛石濃度設計為 20% （ 100% 制）。

2.1空白胎體的抗彎強度分析

通過彎曲強度試驗，可測量胎體材料在靜態彎曲載荷下斷裂時的材料特性，純結合劑空白胎體試樣在不同燒結溫度和保溫時間下的抗彎強度見表1。隨著燒結溫度的升高，不同配方抗彎強度不斷增大，在燒結溫度為 920% 時有最大值。在同一燒結溫度下，隨著保溫時間的延長，抗彎強度不斷增大，大多數在保溫時間為 5min 時有最大值。

表1空白胎體試樣在不同燒結溫度下的抗彎強度（ ?MPa_λ^′

2.2含金剛石胎體的抗彎強度分析

金剛石鉆頭胎體的抗彎強度主要受金剛石與燒結體之間的界面結合強度影響。一般界面結合強度越高，金剛石基體燒結段的彎曲強度越高。含金剛石胎體試樣在不同燒結溫度和保溫時間下的抗彎強度見表2。隨著燒結溫度的升高，同一配方抗彎強度不斷增大，在燒結溫度為 940% 時有最大值。 940% 后，彎曲強度有下降的趨勢，較高的燒結溫度易導致金剛石石墨化。在同一配方和同一燒結溫度下，隨著保溫時間的延長，抗彎強度基本不斷增大，但保溫時間超過5min 后，抗彎強度基本均趨于下降。

表2含金剛石胎體試樣在不同燒結溫度下的抗彎強度（MPa)

2.3空白胎體的硬度分析

為分析影響試樣燒結體耐磨性的因素，引入胎體硬度，而胎體的硬度指標在某些特定條件下與胎體的耐磨性一致。空白胎體洛氏硬度值見表3。

表3空白胎體試樣在不同燒結溫度下的硬度（HRC)

根據表3試驗結果，在同一配方和保溫時間下，隨著燒結溫度的升高，洛氏硬度值逐漸增大，當溫度上升到 920% 時，洛氏硬度值開始降低，燒結溫度的升高有利于樣品的致密化。但當溫度過高時，鉆頭可能過燒，燒結體洛氏硬度值會減少，從而降低燒結體的耐磨性。在同一配方和同一燒結溫度下，隨著保溫時間的延長，洛氏硬度值基本不斷增大，但保溫時間超過 5min 后，洛氏硬度值基本均趨于下降。

3鉆頭試驗與結果分析

3.1 鉆頭試驗

根據上述試驗結果，選擇L2配方燒制鉆頭，鉆頭規格為 101/83mm ，工作層高為 12mm ，分層為7層，第 1、2、4、6 層 1.2mm ；第3、5層厚 1.3mm 第1、7層厚 1.4mm 。

1、7層金剛石粒度為 35/40:40/45:45/50:50/60= 10:10:40:40 ，濃度為 21% ；3、5層金剛石粒度為 ，濃度為 19% 。熱壓工藝參數為：燒結溫度 940% ，壓力 20MPa ，保溫時間 5min ，出爐后在保溫條件下緩冷 降溫。

試用工程肇明高速1標工程，樁基礎檢測取芯鉆進，混凝土標號為C35，鉆進米數 400m ，應用鉆頭6個。

試用工程粵東水資源配置二期韓江榕江練江水系連通后后續優化工程，樁基礎檢測取芯鉆進，混凝土標號為C30，鉆進米數 600m ，應用鉆頭9個。

3.2 結果分析

（1）鉆進結果1表明，鉆頭磨損正常，工作層基本磨損完，無斷齒現象發生。鉆頭鉆進總耗時約50.6h ，平均時效為 7.9m/h ；鉆頭壽命（總進尺）達到 400m 。

（2）鉆進結果2表明，鉆頭磨損正常，工作層基本磨損完，無斷齒現象發生。鉆頭鉆進總耗時約70.5h ，平均時效為 8.5m/h ；鉆頭壽命（總進尺）達到 600m 。

試驗結果理想，基本達到設計要求。

4結論

經過對鉆進鋼筋混凝土的新型金剛石薄壁鉆頭研究，可得出以下結論：為了避免出現容易脫落斷齒的問題，鉆頭胎體材料配方由Cr-Fe預合金粉、Ni-Fe-Sn-Cu 預合金粉、Cr-Ni-Fe預合金粉、 Co 、ΔNi 、Cu組成。

為提高鉆進效率和鉆進壽命，設計鉆頭胎塊由多層胎塊薄片由內而外疊加組成，共設計7層。其中：1、7層設計為細顆粒高濃度金剛石，金剛石粒度為35/40:40/45:45/50:50/60=10:10:40:40 ，濃度為21% ，輔助碎巖，減少磨損和金剛石間隙，延長使用壽命；3、5層設計為粗顆粒低濃度金剛石，金剛石粒度為 ，濃度為 19% ，掏槽作用，破碎自由面增加，巖石更易破碎。

鉆進結果表明：鉆頭磨損正常，工作層基本磨損完，無斷齒現象發生，鉆頭平均時效為 8.26m/h ，鉆頭壽命（總進尺）達到 600m 。試驗結果理想，基本達到設計要求。

參考文獻：

[1］張紹和，丁星妤，周家香．切割混凝土的金剛石鋸片研究[J]．金剛石與磨料磨具工程，2005(6)：43-45.

[2]TANSC，FANGXH，YANGKaihua，etal.A new compos-iteimpregnated diamond bit for extra-hard，compact and non-abrasiverock formation［J].Int.JournalofRefractoryMet-alsandHardMaterials，2014(43)：186-192.

[3]VillarMD，Muro P，J.M.Sanchez，etal.Consolidation ofdiamond toolsusingCu-Co-Febasedalloysasmetallic binders[J]．PowderMetallurgy，2001，44（1）:82-90.

[4］蒙光海，雷曉旭，盧安軍，等.CuSn15和Fe對無壓燒結金剛石工具胎體性能的影響［J]．粉末冶金技術，2015，33(2):105-110，132.

[5］叢明輝，徐冬梅，齊維，等．樹脂結合劑金剛石線鋸研究進展［J]．金剛石與磨料磨具工程，2011，31（2）：62-65.

[6］華勇，李亞萍，蔣登高．金剛石砂輪樹脂結合劑的性能分析［J]．金剛石與磨料磨具工程，2004(5)：4-6.