金剛石表面預(yù)處理技術(shù)在金剛石鉆頭中的應(yīng)用

徐 良， 劉一波， 徐 強(qiáng)， 楊 林

(1. 北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司， 北京 102200) (2. 桂林恒鋒科技發(fā)展有限公司， 廣西 桂林 541002)

金剛石工具中金剛石與胎體之間結(jié)合力的大小非常重要，尤其對(duì)于金屬結(jié)合劑金剛石工具來(lái)說(shuō)，如果結(jié)合力太弱，金剛石在鉆切過(guò)程中會(huì)過(guò)早脫落而導(dǎo)致工具壽命很短，增加鉆切的成本。從20世紀(jì)70年代起，國(guó)外科學(xué)家就開(kāi)始研究增加金剛石工具中胎體對(duì)金剛石把持力的方法，其中通過(guò)金剛石表面金屬化處理在金剛石與胎體之間形成冶金結(jié)合，是最為有效的方法之一。目前，國(guó)內(nèi)外在鉆切金剛石工具方面，已經(jīng)普遍用表面鍍鈦的金剛石來(lái)提高胎體對(duì)金剛石的把持力，從而延長(zhǎng)工具的使用壽命，此法也成為金剛石表面處理最為成功的工藝技術(shù)[1-2]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了在金剛石表面造坑的工藝，即采用物理或化學(xué)的方法在金剛石表面制造一系列的坑，來(lái)增加胎體與金剛石的接觸面積，從而提高把持力，并且降低金剛石的使用濃度。該方法目前剛進(jìn)入市場(chǎng)，與鍍鈦金剛石相比使用量很小，但可預(yù)見(jiàn)其未來(lái)能成為最有潛力的一種金剛石表面處理工藝。

1 金剛石表面預(yù)處理技術(shù)

1.1 金剛石表面金屬化

(1)化學(xué)鍍

化學(xué)鍍是利用還原劑使溶液中的金屬離子有選擇地在具有催化活性的表面上還原析出金屬鍍層的一種化學(xué)處理方法。典型的金剛石化學(xué)鍍處理包括化學(xué)鍍Ni、Cu等金屬單質(zhì)，或化學(xué)鍍Ni-W、Ni-Cr等合金，其中Ni是最常見(jiàn)的金剛石化學(xué)鍍金屬單質(zhì)[3]?；瘜W(xué)鍍一般不會(huì)侵蝕金剛石，但金屬鍍層也不會(huì)與金剛石形成化學(xué)結(jié)合，機(jī)械結(jié)合力較弱，不適合用于制造金屬結(jié)合劑工具，所以國(guó)內(nèi)外金屬結(jié)合劑金剛石工具中很少用到化學(xué)鍍工藝。

(2)真空鍍

金屬結(jié)合劑金剛石工具如鋸片、鉆頭等的金剛石表面一般采用強(qiáng)碳化物元素形成鍍覆，如最常用的Ti、Cr、Mo等元素。真空鍍?cè)谡婵諚l件下將金屬氣化成分子、原子直接沉積到鍍件表面上，如真空微蒸發(fā)鍍、磁控濺射和離子束等方法對(duì)金剛石表面鍍Ti、Ti-Cr合金等；真空鍍也可利用氣態(tài)物質(zhì)在一定壓力、溫度和時(shí)間的條件下，在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而形成鍍層，如利用CVD法對(duì)金剛石表面鍍鈦，但該方法反應(yīng)溫度一般高達(dá)1200 ℃，易損傷金剛石，且成本較高；真空鍍還可采用粉末覆蓋燒結(jié)法，利用高溫下金屬粉末與金剛石接觸反應(yīng)，在金剛石表面形成碳化物或金屬層，從而改善工具的性能[4]。

這些金屬通過(guò)真空鍍的方法沉積于金剛石表面，或者與金剛石表面反應(yīng)生成碳化物，與金剛石形成冶金結(jié)合，可大大提高工具中胎體粉末對(duì)金剛石的把持力，從而提高工具的使用壽命。

(3)鹽浴鍍

鹽浴鍍是在氯化物的鹽浴中加入Ti、Cr、W等金屬粉末，再將金剛石投入鹽浴中，在溫度850～1100 ℃條件下，鹽浴處理1～2 h，由熔融金屬的高黏著性和毛細(xì)管力的作用而獲得鍍覆層[5-6]。鹽浴鍍后的金剛石與金屬基體的結(jié)合良好，且工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)易，可操作性強(qiáng)。但熔鹽中含有對(duì)環(huán)境有害的成分，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，因此環(huán)保要求比較高。

1.2 金剛石表面坑化處理

金剛石經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)處理后，在不損傷棱角的前提下，金剛石表面上產(chǎn)生一些深度為15～25 μm的小坑，該方法可使金剛石晶面的比表面積增加30%(坑化率)左右，意味著可將金剛石與胎體的結(jié)合強(qiáng)度增加30%左右，能有效提高鉆進(jìn)效率和延長(zhǎng)工具的使用壽命。

雖然金剛石表面處理工藝很多，但綜合考慮金剛石表面處理后的效果、金剛石工具性能的提升幅度以及金剛石表面處理帶來(lái)的成本增加等諸多因素，真正用于工業(yè)批量生產(chǎn)的金剛石表面處理工藝主要包括金剛石表面鍍鈦和金剛石表面坑化處理，其中金剛石表面鍍鈦工藝已經(jīng)普遍用于金剛石工具的生產(chǎn)，而金剛石表面坑化處理在國(guó)內(nèi)剛開(kāi)始投入使用，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 鉆頭制備

實(shí)驗(yàn)制備φ102 mm的金剛石薄壁鉆頭，每個(gè)鉆頭9個(gè)刀頭，其中刀頭規(guī)格為10 mm×3.5 mm×24 mm，鉆頭如圖1所示。胎體配方為鐵鈷銅超細(xì)預(yù)合金粉末，金剛石(圖2)靜壓強(qiáng)度280 N，粒度30/40。金剛石的具體參數(shù)如表1所示。

圖1 鉆頭實(shí)物圖

(a) 裸金剛石(b) 鍍鈦金剛石(c) 坑化處理金剛石 圖2 實(shí)驗(yàn)用金剛石

表1 不同金剛石表面處理工藝和金剛石濃度

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)用鉆進(jìn)設(shè)備是WEKA32鉆機(jī)，功率3.2 kW，轉(zhuǎn)速1250 r/min；鉆進(jìn)對(duì)象為厚度250 mm的鋼筋混凝土，其中混凝土標(biāo)號(hào)為C45，混凝土塊垂直方向帶有4根直徑22 mm鋼筋，鉆進(jìn)設(shè)備和材料如圖3所示，記錄鉆進(jìn)每個(gè)孔的時(shí)間和鉆進(jìn)5個(gè)孔后刀頭的磨損量。

(a) 鉆進(jìn)設(shè)備(b) 鉆進(jìn)材料圖3 鉆進(jìn)設(shè)備和鉆進(jìn)材料

3 結(jié)果與討論

用秒表記錄每次鉆透鋼筋混凝土塊的時(shí)間，換算出4種鉆頭的鉆進(jìn)速度(圖4)，鉆頭的平均鉆進(jìn)速度如圖5所示。

圖4 鉆頭鉆進(jìn)速度對(duì)比圖

經(jīng)過(guò)5個(gè)孔的鉆進(jìn)后，測(cè)量4種鉆頭刀頭磨損量分別為3.5 mm、2.7 mm、2.3 mm和2.6 mm，按照刀頭工作面高度8.5 mm計(jì)算，可推算出4種鉆頭的理論使用壽命，如圖5所示。

圖5 鉆頭壽命和平均鉆進(jìn)速度

由圖4、圖5可看出：在相同鉆進(jìn)條件下，金剛石表面鍍鈦和坑化處理，均能不同程度地延長(zhǎng)鉆頭的壽命，本實(shí)驗(yàn)鍍鈦金剛石能延長(zhǎng)鉆頭壽命30%，坑化處理金剛石能延長(zhǎng)鉆頭壽命35%～50%；鍍鈦金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效率比裸金剛石低4%～8%，相同濃度的坑化處理金剛石比裸金剛石鉆進(jìn)效率低7%；將坑化處理金剛石濃度降低5%之后，與裸金剛石鉆頭相比，鉆進(jìn)效率提高8%左右，與鍍鈦金剛石相比，鉆進(jìn)效率提高12%左右。

分析原因主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)鍍鈦金剛石能提高胎體對(duì)金剛石的把持力，可延長(zhǎng)鉆頭的壽命，但由于把持力高，部分金剛石磨粒磨圓后不能及時(shí)脫落，造成鉆進(jìn)效率有5%左右的下降。

(2)坑化處理金剛石可將胎體與金剛石的接觸面積增大30%以上，大大提高胎體對(duì)金剛石的把持力，可延長(zhǎng)鉆頭壽命35%以上；此種處理后，金剛石同樣會(huì)不容易脫落，同種濃度的金剛石鉆頭效率會(huì)有所下降。

(3)坑化處理的金剛石降低濃度后，胎體中金剛石顆粒的間距增大，相同壓力條件下單顆金剛石對(duì)混凝土的壓力增加，提高破碎的效率，因此可有效提高鉆頭的鉆進(jìn)速度，一般金剛石濃度的降低幅度為5%～10%。

4 結(jié)論

采用表面造坑的方法處理金剛石，并將其同表面鍍鈦的金剛石進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)：

(1)金剛石表面鍍鈦和坑化處理是目前金剛石工具中應(yīng)用比較廣泛的2種工藝。

(2)鍍鈦金剛石與常規(guī)金剛石相比，可延長(zhǎng)鉆頭壽命30%；坑化處理金剛石可延長(zhǎng)鉆頭壽命35%以上，降低濃度后可提高鉆進(jìn)效率10%以上。

(3)坑化處理金剛石濃度的降低幅度為5%～10%，可有效降低成本。

(4)目前尚未有研究表明鍍鈦金剛石和坑化處理金剛石哪種更為優(yōu)越，但我們認(rèn)為坑化處理金剛石未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Ω蟆?/p>