一种造孔材料对金刚石薄壁钻头效率提高的研究

李运海，罗文来

（1．桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林 541004；2．中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004）

1 前言

金刚石薄壁钻头作为一种用途广泛的金刚石工具，在建筑装修，混凝土拆除、植筋加固，混凝土、浅层地表取样检验，设备安装等方面都有广泛的应用，市场需求潜力较大。金刚石薄壁钻头的钻机绝大多数都是手工给进操作的，特别是遇到钢筋时，钻进明显困难，劳动强度较大；而且工程应用中一般都有严格工期要求，所以如何提高薄壁钻头的效率，降低劳动强度是金刚石薄壁钻头开发的重点之一。因此，在薄壁钻头的研发中，众多专家对其中的金刚石品级、浓度、粒度和结合剂等进行了大量的研究［1］，推出了很多优秀的产品。专家们对金刚石钻头的钻进原理进行了大量的研究，例如大家公认的胎体磨损，金刚石消耗和材料去除率三者最佳匹配的胎体设计原则［2］。张绍和提出了“弱包镶”来解决打滑钻头的思路［3］，宋月清提出“弱化”胎体的概念［4］，这些思路在进一步提高薄壁钻头的效率上有很多借鉴意义。庞丰提出向钻头胎体中添加造孔剂，降低胎体的耐磨性，以增强金刚石的出刃，提高钻进时效［5］的思路。也就是说在某种状态下通过适当添加一些“减弱”胎体本身强度的材料，可以达到提高钻进效率的效果。

业内同行对添加剂进行了一些研究，常用的大多是非金属，如石墨粉、玻璃粉、陶瓷空心球［6］，以及一些外层镀覆金属的石墨粉等［7］［8］。所有的弱化胎体设计的前提都是工具强度必须保证。胎体强度过低则整个工具都是不安全可靠的，胎体强度过高对提高效率又起不到作用。也就是说弱化的程度必须合适，针对不同的加工材料，加工方式，添加的材料和数量应该有不同的要求。

2 试验方案

本文拟通过在胎体中添加造孔剂N，检测其对纯Co胎体中的强度硬度变化，并进行钻进钢筋混凝土的对比试验。同时将N添加到CoFe基胎体和FeCu基胎体中，金刚石完全一致，做成Φ63／20×3．5×10规格的薄壁钻头，进行钻进对比试验，检测添加剂N在不同基胎体中的锋利度表现。

表1 胎体试验方案设计表Table 1 Parameter design of testing

表2 钻进试验钻头方案设计表Table 2 Drilling testing program design

3 试验材料与设备

3.1 试验材料

试验材料主要为超细Co粉（－400目），超细Fe粉（－400目），电解Cu粉（－250目），N添加剂（－100目），40／45、45／50金刚石。订制的C35混凝土，厚度270mm，含两层Φ25mm直径的Q235材质螺纹钢筋，混凝土骨料为鹅卵石。

3.2 试验设备

三维混料机，手动冷压机，SMVB60真空热压烧结机，CMT4304万能材料试验机，光学显微镜；HZQ－200C型工程水钻机，功率2．5kW，空载转速850r／min。

3.3 试验方法

按上述胎体的理论密度计算投料称重，在真空热压烧结机中烧结成（30×12×6）mm试验样块，烧结工艺见图1所示。分别检测试验样块HRB硬度、抗弯强度。加入同样品级、粒度、浓度的金刚石，制作成Φ63／20×3．5×10规格的薄壁钻头，用激光焊接到钻管基体上，同样条件下开刃，进行钻进试验。钻进试验分别记录钻进混凝土和钻进钢筋的时间。为保证钻进试验的一致性，钻进前测量好混凝土中埋钢筋的位置，保证钻进钢筋的截面一致，如图7所示，钻进过程控制同样的水流量。

图1 试样热压烧结工艺曲线图Fig．1 Hot Pressing sintering curve

4 实验结果与分析

4.1 胎体试验结果

胎体强度和硬度检测的效果如图2和图3所示，随着添加剂N的加入量提高，抗弯强度逐渐降低，添加量为2%，强度由纯Co的93%，下降7%，添加量为4%，强度为原来的84%，下降16%，在超过4%后下降速度快，添加量为6%，强度下降到达35%。硬度也呈现同样的趋势。各项性能结果见表3。

图2 N含量与抗弯强度的关系Fig．2 Relationship between N content and bending strength

图3 N含量与HRB硬度的关系Fig．3 Relationship between N content and hardness

表3 N添加量对Co胎体的强度影响Table 3 Effect of N addition on strength of Co matrix

分析原因，N是一种较软的材料，密度小，只有3．81g／cm3，与金属粘接性较差，加入N时类似在胎体中增加空隙，所以随着N的量提高，胎体强度和硬度都在降低，而在其比例达到一定程度时，在胎体中的体积所占比例更大，强度和硬度下降就更就明显。但相对在高铁基胎体加入1%石墨，强度下降32%［6］，N添加剂在Co胎体中的下降量小得多。也就是说N可以在保证强度的前提下制造更多的空隙，利于提高切割或钻进的效率。

4.2 钻进试验结果

钻进试验见表4。从表4可看到，N的添加对纯Co、FeCu基、CoFe基胎体钻头的效率都有提高，尤其是钻钢筋时效率提高较明显。其中对纯Co钻头效率提高最大，钻混凝土效率提高62%，钻钢筋提高102%；对FeCu基钻头钻混凝土效率提高8%，钻钢筋提高16%；在CoFe基钻头中钻进混凝土降低了2%，而钻进钢筋时效率提高了26%，所以总效率还是有提高的。

表4 N添加量对不同胎体的钻进效率影响Table 4 Influence of N addition on drilling efficiency of different matrix

图4 各胎体钻进效率对比Fig．4 Comparison of drilling efficiency of different matrix

图5 纯Co刀头钻进后工作面状况Fig．5 Status of working face of the pure Co segment after drilling

图6 Co＋N2%刀头钻进后工作面状况Fig．6 Status of working face of the segment with Co＋N2%after drilling

图7 钻取的混凝土芯Fig．7 Concrete core

5 分析讨论

从上面的数据看，添加剂N对钢筋混凝土钻进效率提高是较有效的，尤其明显的是在Co基胎体中，钻进钢筋效率提高近一倍。分析原因，混凝土中含有石英砂、碎石，本身是一种具有较强研磨性的材料，纯混凝土的钻进一般选择高强度的Co基配方，钻纯混凝土效率不存在问题。对于含钢筋的混凝土，由于金刚石本质是碳，和铁很容易起反应，钻进时接触温度高，容易将金刚石锐角磨钝（如图5所示）从而降低锋利度，甚至产生“打滑”的状况。添加剂N是一种可以制造孔隙的材料，通过这些微小的孔隙“弱化”了胎体，使胎体磨损加快，使得金刚石更容易出刃；其次这些孔隙在工作时又能容纳更多的冷却液，降低了金刚石切削接触产生的温度，有利于保持金刚石切削锐角（如图6所示）。对比图5和图6，可以明显看到图6的金刚石锐角保持明显比图5好。金刚石保持尖锐的刃角，可以较轻松刻入所加工材料。所以添加N材料的钻头，钻进钢筋的速度都有提高。

钻进纯混凝土时，由于混凝土具有较强的研磨性，胎体和金刚石出刃已经处于一种良好的状态，钻进效率达到该配方中较好的水平，因此再添加造孔的材料，就不能起更明显的效果。从表4数据看，原本钻进纯混凝土效率越高的胎体，添加N后效率提高就越不明显，甚至稍有下降。也从侧面证明添加造孔材料弱化胎体来提高锋利度的方式不是所有的情况下都有效的，胎体和钻进材料不同，效果也不同。

6 结论

根据试验结果和分析可得出以下结论：

（1）在纯钴胎体中加入添加剂N，胎体强度和硬度都有所下降，N含量在4%，强度下降16%，超过4%的含量后，下降幅度急剧加大，到6%时，强度下降35%；

（2）钻进试验，添加N后钻进钢筋效率都有不同程度的提高，对纯钴胎体提高明显。钻进纯混凝土时，原本钻进效率高的，添加N越不明显，甚至可能钻进效率略有降低。

（3）选择采用“弱化”胎体的方式提高效率，应针对不同的加工对象及使用胎体本身来选择，才能达到较好的效果。

（4）保持工作中金刚石的棱角锐利，对工具的锋利度有较大影响。

参考文献：

［1］ 王智慧，谢志刚，等．钢筋混凝土金刚石薄壁钻头用结合剂及金刚石的研究［J］．超硬材料工程，2006（5）：11－14．

［2］ 张许红，侯俊彦，等．金属结合剂强度和微变形对薄壁工程钻性能的影响［C］．第9界中国金刚石相关材料及应用学术研讨会，2015．8．

［3］ 张绍和，鲁凡，等．弱包镶强耐磨性胎体钻头［J］．探矿工程，1997（2）：35－36；

［4］ 宋月清，甘长炎，等．金刚石工具胎体材料的性能“弱化”问题初探［J］．金刚石与磨料模具工程，1997（5）：2－5．

［5］ 庞丰，段隆臣，等．钻进打滑地层时造孔剂对镶金刚石钻头性能的影响［J］．粉末冶金材料科学与工程，2014（5）：790－796．

［6］ 宋月清，孙毓超，等．非金属粉添加剂在弱研磨性石材切割工具中的应用［J］．工业金刚石，2005（2）：26－35．

［7］ 韩娟，姚炯彬，等．碳含量对高铁基胎体金刚石工具性能的影响［J］．粉末冶金材料科学与工程，2011（8）：625－629．

［8］ 刘一波，曹彩婷，等．石墨材料对铜锡胎体性能影响的实验研究［J］．超硬材料工程，2016（3）：18－21．