李運(yùn)海，羅文來

（1．桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004；2．中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)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(yàn)，設(shè)備安裝等方面都有廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)需求潛力較大。金剛石薄壁鉆頭的鉆機(jī)絕大多數(shù)都是手工給進(jìn)操作的，特別是遇到鋼筋時(shí)，鉆進(jìn)明顯困難，勞動(dòng)強(qiáng)度較大；而且工程應(yīng)用中一般都有嚴(yán)格工期要求，所以如何提高薄壁鉆頭的效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度是金剛石薄壁鉆頭開發(fā)的重點(diǎn)之一。因此，在薄壁鉆頭的研發(fā)中，眾多專家對(duì)其中的金剛石品級(jí)、濃度、粒度和結(jié)合劑等進(jìn)行了大量的研究［1］，推出了很多優(yōu)秀的產(chǎn)品。專家們對(duì)金剛石鉆頭的鉆進(jìn)原理進(jìn)行了大量的研究，例如大家公認(rèn)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(shè)計(jì)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(jìn)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(qiáng)金剛石的出刃，提高鉆進(jìn)時(shí)效［5］的思路。也就是說在某種狀態(tài)下通過適當(dāng)添加一些“減弱”胎體本身強(qiáng)度的材料，可以達(dá)到提高鉆進(jìn)效率的效果。

業(yè)內(nèi)同行對(duì)添加劑進(jìn)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(shè)計(jì)的前提都是工具強(qiáng)度必須保證。胎體強(qiáng)度過低則整個(gè)工具都是不安全可靠的，胎體強(qiáng)度過高對(duì)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(duì)不同的加工材料，加工方式，添加的材料和數(shù)量應(yīng)該有不同的要求。

2 試驗(yàn)方案

本文擬通過在胎體中添加造孔劑N，檢測(cè)其對(duì)純Co胎體中的強(qiáng)度硬度變化，并進(jìn)行鉆進(jìn)鋼筋混凝土的對(duì)比試驗(yàn)。同時(shí)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(guī)格的薄壁鉆頭，進(jìn)行鉆進(jìn)對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)添加劑N在不同基胎體中的鋒利度表現(xiàn)。

表1 胎體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表Table 1 Parameter design of testing

表2 鉆進(jìn)試驗(yàn)鉆頭方案設(shè)計(jì)表Table 2 Drilling testing program design

3 試驗(yàn)材料與設(shè)備

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要為超細(xì)Co粉（－400目），超細(xì)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(zhì)螺紋鋼筋，混凝土骨料為鵝卵石。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

三維混料機(jī)，手動(dòng)冷壓機(jī)，SMVB60真空熱壓燒結(jié)機(jī)，CMT4304萬能材料試驗(yàn)機(jī)，光學(xué)顯微鏡；HZQ－200C型工程水鉆機(jī)，功率2．5kW，空載轉(zhuǎn)速850r／min。

3.3 試驗(yàn)方法

按上述胎體的理論密度計(jì)算投料稱重，在真空熱壓燒結(jié)機(jī)中燒結(jié)成（30×12×6）mm試驗(yàn)樣塊，燒結(jié)工藝見圖1所示。分別檢測(cè)試驗(yàn)樣塊HRB硬度、抗彎強(qiáng)度。加入同樣品級(jí)、粒度、濃度的金剛石，制作成Φ63／20×3．5×10規(guī)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(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。鉆進(jìn)試驗(yàn)分別記錄鉆進(jìn)混凝土和鉆進(jìn)鋼筋的時(shí)間。為保證鉆進(jìn)試驗(yàn)的一致性，鉆進(jìn)前測(cè)量好混凝土中埋鋼筋的位置，保證鉆進(jìn)鋼筋的截面一致，如圖7所示，鉆進(jìn)過程控制同樣的水流量。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 胎體試驗(yàn)結(jié)果

胎體強(qiáng)度和硬度檢測(cè)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(qiáng)度逐漸降低，添加量為2%，強(qiáng)度由純Co的93%，下降7%，添加量為4%，強(qiáng)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(qiáng)度下降到達(dá)35%。硬度也呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)。各項(xiàng)性能結(jié)果見表3。

圖2 N含量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig．2 Relationship between N content and bending strength

圖3 N含量與HRB硬度的關(guān)系Fig．3 Relationship between N content and hardness

表3 N添加量對(duì)Co胎體的強(qiáng)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(shí)類似在胎體中增加空隙，所以隨著N的量提高，胎體強(qiáng)度和硬度都在降低，而在其比例達(dá)到一定程度時(shí)，在胎體中的體積所占比例更大，強(qiáng)度和硬度下降就更就明顯。但相對(duì)在高鐵基胎體加入1%石墨，強(qiáng)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(qiáng)度的前提下制造更多的空隙，利于提高切割或鉆進(jìn)的效率。

4.2 鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

鉆進(jìn)試驗(yàn)見表4。從表4可看到，N的添加對(duì)純Co、FeCu基、CoFe基胎體鉆頭的效率都有提高，尤其是鉆鋼筋時(shí)效率提高較明顯。其中對(duì)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(duì)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(jìn)混凝土降低了2%，而鉆進(jìn)鋼筋時(shí)效率提高了26%，所以總效率還是有提高的。

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

圖4 各胎體鉆進(jìn)效率對(duì)比Fig．4 Comparison of drilling efficiency of different matrix

圖5 純Co刀頭鉆進(jìn)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(jìn)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(shù)據(jù)看，添加劑N對(duì)鋼筋混凝土鉆進(jìn)效率提高是較有效的，尤其明顯的是在Co基胎體中，鉆進(jìn)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(qiáng)研磨性的材料，純混凝土的鉆進(jìn)一般選擇高強(qiáng)度的Co基配方，鉆純混凝土效率不存在問題。對(duì)于含鋼筋的混凝土，由于金剛石本質(zhì)是碳，和鐵很容易起反應(yīng)，鉆進(jìn)時(shí)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(chǎn)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(shí)又能容納更多的冷卻液，降低了金剛石切削接觸產(chǎn)生的溫度，有利于保持金剛石切削銳角（如圖6所示）。對(duì)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(jìn)鋼筋的速度都有提高。

鉆進(jìn)純混凝土?xí)r，由于混凝土具有較強(qiáng)的研磨性，胎體和金剛石出刃已經(jīng)處于一種良好的狀態(tài)，鉆進(jìn)效率達(dá)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(shù)據(jù)看，原本鉆進(jìn)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(cè)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(jìn)材料不同，效果也不同。

6 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析可得出以下結(jié)論：

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

（2）鉆進(jìn)試驗(yàn)，添加N后鉆進(jìn)鋼筋效率都有不同程度的提高，對(duì)純鈷胎體提高明顯。鉆進(jìn)純混凝土?xí)r，原本鉆進(jìn)效率高的，添加N越不明顯，甚至可能鉆進(jìn)效率略有降低。

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

（4）保持工作中金剛石的棱角銳利，對(duì)工具的鋒利度有較大影響。

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