基于混料設(shè)計(jì)的WC基復(fù)合胎體性能研究

黃 帆， 肖冬順， 瞿 霞， 趙小軍， 譚松成

(1.長(zhǎng)江巖土工程總公司〈武漢〉，湖北 武漢 430000； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063； 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

WC基復(fù)合胎體具有燒結(jié)溫度高、硬度和耐磨性好、對(duì)金剛石的熱損傷小等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于金剛石鉆頭鉆進(jìn)比較堅(jiān)硬的地層中[1-4]。在WC基配方體系中，663-Cu由于其較低的燒結(jié)溫度，好的成形性和可燒結(jié)性，并且與WC、Ni、Mn等金屬的相容性好,被廣泛用作粘結(jié)劑[2, 5-6]。在金剛石鉆頭中，胎體需要牢固地把持住金剛石。胎體對(duì)金剛石的把持力極大地決定了金剛石鉆頭的使用壽命和工作性能[7-9]，而鉆頭的胎體性能主要取決于胎體配方[10]。本文采用混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[11-12]，通過改變胎體配方中金屬粉末的配比來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而研究胎體配方變化對(duì)WC基復(fù)合胎體抗彎強(qiáng)度的作用規(guī)律，分析其對(duì)金剛石把持性能的影響大小。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

WC粉：200目，純度99.9%。663青銅(ZQSn663)粉：300目，純度99.9%。硬質(zhì)合金(YG8)粉：300目，純度99.9%。錳(Mn)粉：200目，純度99.9%。鎳(Ni)粉：300目，純度99.9%。金剛石：MBD8，35/40目。

1.2 制備工藝

按照混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用Design-Expert軟件對(duì)胎體配方進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中0≤WC≤55%、0≤YG8≤30%、20%≤663-Cu≤75%、15%≤(WC+YG8)≤70%、Ni=5%、Mn=5%，具體配方組成見表1。

表1 WC基復(fù)合胎體材料配方Table 1 Formulation of WC-based composite matrix material %

按照表1中的配方進(jìn)行混料，然后使用SM-100A型智能電阻爐對(duì)胎體試塊進(jìn)行燒結(jié)。在制備含金剛石節(jié)塊時(shí)，金剛石的體積濃度為25%。試驗(yàn)用胎體試樣規(guī)格為5 mm×5 mm×30 mm，模具材料為高強(qiáng)石墨。本次研究?jī)H考慮不同胎體配方對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度的影響，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用的燒結(jié)工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度920 ℃，保溫時(shí)間4 min，燒結(jié)壓力16 MPa，出爐溫度650 ℃。

采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)抗彎強(qiáng)度，在CTM2500微機(jī)控制型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣的加載速度為10～20 mm/min，跨距24.5 mm。每個(gè)配方燒制3個(gè)空白胎體試樣，3個(gè)含金剛石試樣。每種胎體材料配方的抗彎強(qiáng)度測(cè)試值為3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。胎體抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：σ——胎體的抗彎強(qiáng)度，MPa；P——試樣斷裂時(shí)的載荷，N；l——支點(diǎn)間距，mm；b——試樣寬度，mm；h——試樣高度，mm。

在金剛石工具中，一般采用強(qiáng)度損失率q來(lái)間接的表示胎體對(duì)金剛石把持能力的大小[13-15]，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：σB——不含金剛石時(shí)胎體塊的抗彎強(qiáng)度，MPa；σD——含金剛石時(shí)胎體塊的抗彎強(qiáng)度，MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 空白胎體抗彎強(qiáng)度的方差與回歸分析

抗彎強(qiáng)度測(cè)試的具體結(jié)果見表2。對(duì)空白胎體抗彎強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差與回歸分析，發(fā)現(xiàn)線性混合模型的P值遠(yuǎn)小于0.05，關(guān)系顯著；WC、YG、663-Cu三種成分交互作用的P值比0.05大得多，三者之間的交互作用很不顯著(參見表3)。

表2 不同胎體配方的胎體抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of bending strength of different matrix formulations MPa

表3 方差與回歸分析結(jié)果Table 3 Variance and regression analysis results

3種胎體成分含量變化對(duì)空白胎體抗彎強(qiáng)度的影響存在線性模型關(guān)系。設(shè)定WC、YG8和663-Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為X1%、X2%和X3%，回歸方程為：

σB=11.90X1+14.47X2+7.49X3

(3)

由于X1%+X2%+X3%=90%，故回歸方程可以降維處理，如下式所示：

σB=4.41X1+6.98X2+674.1

(4)

對(duì)回歸方程與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以直觀的看到擬合效果很好(如圖1所示)。另外從回歸方程可知，從對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響效果來(lái)看，YG8>WC>663-Cu；隨著胎體成分中WC、YG8含量的增加，胎體的抗彎強(qiáng)度增加；隨著663-Cu含量的增加，胎體的抗彎強(qiáng)度減小。

圖1 空白胎體抗彎強(qiáng)度回歸方程擬合效果Fig.1 Fitting effect of regression equation of bending strength of matrix without diamond

2.2 含金剛石胎體抗彎強(qiáng)度的方差與回歸分析

對(duì)含金剛石的胎體進(jìn)行方差和回歸分析發(fā)現(xiàn)，線性模型顯著。胎體成分對(duì)含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度影響的回歸方程如式(5)所示，擬合效果如圖2所示。

σB=6.32X1+7.94X2+4.41X3

(5)

圖2 含金剛石胎體抗彎強(qiáng)度回歸方程擬合效果Fig.2 Fitting effect of regression equation of bending strength of matrix with diamond

從回歸方程可以看出，對(duì)含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度影響大小是YG8>WC>663-Cu；隨著胎體成分中WC、YG8含量的增加，含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度增加；隨著663-Cu含量的增加，含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度減小。

比較空白胎體和含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)WC基復(fù)合胎體成分含量的變化對(duì)其影響比較一致，而對(duì)強(qiáng)度損失率的影響則不同(見圖3)。WC、YG8、663-Cu對(duì)抗彎強(qiáng)度都有顯著性影響，但是對(duì)強(qiáng)度損失率的影響不大。強(qiáng)度損失率的方差分析驗(yàn)證了這一點(diǎn)，沒有任何影響因素的F值<0.05(見表4)。這意味著WC基復(fù)合胎體WC、YG8、663-Cu含量的變化對(duì)金剛石把持力能力的影響很小，不顯著。只通過調(diào)整三者的成分比例，無(wú)法有效地改善胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)狀態(tài)，提高胎體對(duì)金剛石的把持力。

圖3 試樣的抗彎強(qiáng)度與強(qiáng)度損失率Fig.3 Bending strength and strength loss rate of specimens

表4 強(qiáng)度損失率的方差與回歸分析結(jié)果Table 3 Variance and regression analysis results of strength loss rate

3 結(jié)論

本文采用混料設(shè)計(jì)的方法，研究了WC基復(fù)合胎體中WC、YG8、663-Cu含量變化對(duì)抗彎強(qiáng)度以及把持性能的影響規(guī)律。WC、YG8、663-Cu含量變化與空白胎體的抗彎強(qiáng)度、含金剛石胎體的抗彎強(qiáng)度之間的變化規(guī)律大體一致；WC、YG8、663-Cu含量變化對(duì)胎體抗彎強(qiáng)度有顯著性影響，呈線性模型關(guān)系，并且得到了相應(yīng)的回歸方程；對(duì)胎體的抗彎強(qiáng)度影響大小是YG8>WC>663-Cu；WC、YG8、663-Cu含量變化對(duì)強(qiáng)度損失率影響不顯著，只通過調(diào)整三者的成分比例，無(wú)法有效地改善胎體對(duì)金剛石的粘結(jié)狀態(tài)，提高胎體對(duì)金剛石的把持力。本文的研究對(duì)于WC基復(fù)合胎體抗彎強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。