基于混料設計的WC基復合胎體性能研究

黃 帆， 肖冬順， 瞿 霞， 趙小軍， 譚松成

(1.長江巖土工程總公司〈武漢〉，湖北 武漢 430000； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 3.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

WC基復合胎體具有燒結溫度高、硬度和耐磨性好、對金剛石的熱損傷小等特點，因而被廣泛應用于金剛石鉆頭鉆進比較堅硬的地層中[1-4]。在WC基配方體系中，663-Cu由于其較低的燒結溫度，好的成形性和可燒結性，并且與WC、Ni、Mn等金屬的相容性好,被廣泛用作粘結劑[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]。本文采用混料試驗設計方法[11-12]，通過改變胎體配方中金屬粉末的配比來進行試驗，進而研究胎體配方變化對WC基復合胎體抗彎強度的作用規律，分析其對金剛石把持性能的影響大小。

1 實驗方案設計

1.1 實驗材料

WC粉：200目，純度99.9%。663青銅(ZQSn663)粉：300目，純度99.9%。硬質合金(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

按照混料試驗設計原理，采用Design-Expert軟件對胎體配方進行了設計，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中的配方進行混料，然后使用SM-100A型智能電阻爐對胎體試塊進行燒結。在制備含金剛石節塊時，金剛石的體積濃度為25%。試驗用胎體試樣規格為5 mm×5 mm×30 mm，模具材料為高強石墨。本次研究僅考慮不同胎體配方對胎體抗彎強度的影響，依據經驗采用的燒結工藝參數為：燒結溫度920 ℃，保溫時間4 min，燒結壓力16 MPa，出爐溫度650 ℃。

采用三點彎曲法測抗彎強度，在CTM2500微機控制型電子萬能材料試驗機上進行。試樣的加載速度為10～20 mm/min，跨距24.5 mm。每個配方燒制3個空白胎體試樣，3個含金剛石試樣。每種胎體材料配方的抗彎強度測試值為3個數據的平均值。胎體抗彎強度計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：σ——胎體的抗彎強度，MPa；P——試樣斷裂時的載荷，N；l——支點間距，mm；b——試樣寬度，mm；h——試樣高度，mm。

在金剛石工具中，一般采用強度損失率q來間接的表示胎體對金剛石把持能力的大小[13-15]，其計算公式如下：

(2)

式中：σB——不含金剛石時胎體塊的抗彎強度，MPa；σD——含金剛石時胎體塊的抗彎強度，MPa。

2 實驗結果與分析

2.1 空白胎體抗彎強度的方差與回歸分析

抗彎強度測試的具體結果見表2。對空白胎體抗彎強度的實驗數據進行方差與回歸分析，發現線性混合模型的P值遠小于0.05，關系顯著；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度測試結果Table 2 Test results of bending strength of different matrix formulations MPa

表3 方差與回歸分析結果Table 3 Variance and regression analysis results

3種胎體成分含量變化對空白胎體抗彎強度的影響存在線性模型關系。設定WC、YG8和663-Cu的質量分數分別為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)

對回歸方程與實際數據進行對比，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，從對抗彎強度的影響效果來看，YG8>WC>663-Cu；隨著胎體成分中WC、YG8含量的增加，胎體的抗彎強度增加；隨著663-Cu含量的增加，胎體的抗彎強度減小。

圖1 空白胎體抗彎強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度的方差與回歸分析

對含金剛石的胎體進行方差和回歸分析發現，線性模型顯著。胎體成分對含金剛石胎體的抗彎強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，對含金剛石胎體的抗彎強度影響大小是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度增加；隨著663-Cu含量的增加，含金剛石胎體的抗彎強度減小。

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

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

表4 強度損失率的方差與回歸分析結果Table 3 Variance and regression analysis results of strength loss rate

3 結論

本文采用混料設計的方法，研究了WC基復合胎體中WC、YG8、663-Cu含量變化對抗彎強度以及把持性能的影響規律。WC、YG8、663-Cu含量變化與空白胎體的抗彎強度、含金剛石胎體的抗彎強度之間的變化規律大體一致；WC、YG8、663-Cu含量變化對胎體抗彎強度有顯著性影響，呈線性模型關系，并且得到了相應的回歸方程；對胎體的抗彎強度影響大小是YG8>WC>663-Cu；WC、YG8、663-Cu含量變化對強度損失率影響不顯著，只通過調整三者的成分比例，無法有效地改善胎體對金剛石的粘結狀態，提高胎體對金剛石的把持力。本文的研究對于WC基復合胎體抗彎強度的定量評價有一定的指導意義。