胎體式PDC鉆頭陶瓷模成型影響因素和規律研究

張素慧

（中煤科工集團西安研究院有限公司, 陜西西安 710077）

模具成型是胎體式PDC鉆頭制造中的一個重要環節, 也是準確實施鉆頭設計的關鍵, 模具成型的精度和質量直接影響成品PDC鉆頭的性能[1]。采用陶瓷模成型技術制造的鉆頭體, 陶瓷模成型后的形貌決定了鉆頭的冠部形狀和表面光滑程度。因此, 陶瓷模的制造工藝對燒結胎體式PDC鉆頭尤為重要。對于PDC鉆頭模具成型的研究, 相關的文獻主要介紹了陶瓷模成型技術[1-2]、砂模成型技術[3-4]、激光成型技術[5-6]、3D打印技術[7]、軟光刻技術[8]等實現胎體PDC鉆頭模具快速成型的工藝, 以此來提高生產效率和模具的制造精度；陶瓷模成型的工藝過程及應用情況[9-11]；陶瓷模的制備技術[12],包括涂覆方法、脫蠟新技術[13-14]和燒結工藝等方面的研究[15-16]；陶瓷模生產過程的主要階段及收縮率的測算[17]。而對于陶瓷模成型的活性溫度、失水情況、密度和抗壓強度等方面的研究沒有提及。本文從上述幾個方面, 對陶瓷模的成型溫度和處理工藝進行探討。

1 存在的問題及試驗方法

陶瓷粉是多元組分的粉狀物, 加入一定量的水充分攪拌形成漿液, 澆注到石墨模具腔體內, 成型后用于燒結胎體式PDC鉆頭[圖1（a）]。若陶瓷模成型后強度低出現裂紋、孔洞會造成胎體鉆頭表面不光潔精度偏低[圖1（b）、圖1（c）]。影響陶瓷模成型的主要因素有[18-19]：成型溫度、攪拌時間、粉和水的比例、內部組織的致密性、晶粒尺寸和形狀等。成型的過程中, 即試樣與外界環境中的水分梯度發生了變化[17], 伴隨著陶瓷模硬化的過程, 強度也發生了變化。本文為了獲得邊角光滑氣孔缺陷較少強度較高的陶瓷模, 對其成型工藝進行了以下試驗。

圖1 鉆頭陶瓷模具[1]

2 陶瓷模成型工藝研究

本文選用四種不同的成型溫度, 室溫約25℃、100℃以內、100℃～200℃、先低溫后400℃四種溫度范圍, 以下分別用A、B、C、D表示。倒模時采用未處理、抽真空和振動的三種方式, 試驗方案如表1所示。每組試驗制作3個陶瓷模試樣, 共計36個試樣進行試驗, 成型后的陶瓷模尺寸規格?30mm×30mm, 如圖2所示。圖2（a）、圖2（b）為制作試樣的模具和成型后的試樣。對上述陶瓷模在不同的成型溫度和處理方式下進行試驗, 得出失水量變化曲線和最終失水量, 并進行抗壓強度試驗, 其抗壓原理如圖2（c）所示。

圖2 陶瓷模抗壓強度試驗

表1 陶瓷模試驗方案表

2.1 陶瓷模的失水規律及失水量

根據上述方案, 得到了陶瓷模失水量變化曲線, 第一組到第四組分別如圖3（a）～圖3（d）所示。陶瓷模的初始重量和最終重量在圖中已標出。結果顯示隨著成型時間的增加, 陶瓷模重量減小, 最后逐漸趨于平衡, 并在平衡點附近出現微小的波動現象。為了比較失水速率, 對上述失水曲線進行擬合如圖3（e）～圖3（h）所示。100℃以下成型時, 用線性曲線y=kx+b擬合失水曲線。其中y為失水效率,k為失水系數。|k|越大曲線越陡, 失水越快, |k|越小曲線越平穩, 失水越慢。第一組和第二組的|k|見表2, 其擬合線的相關性系數R2在0.9左右接近1, 說明擬合曲線與實際失水曲線較吻合。可以看出第二組的|k|均比同等處理方式下第一組時更大, 說明第二組試驗失水更快。100℃以上成型時, 失水曲線呈現出類拋物線的趨勢, 用y=ax2+bx+c擬合。其中|a|越大, 拋物線開口越小失水越快；|a|越小, 拋物線開口越大失水越慢。第三組和第四組的|a|見表2, 其擬合線的相關性系數R2在0.95左右接近1, 說明擬合曲線與實際失水曲線較吻合。第四組的|a|均比同等處理方式下第三組時更大, 說明第四組試驗失水更快。由此可得, 升溫有助于陶瓷模失水, 隨著溫度的升高, 陶瓷模的失水規律由線性轉變為非線性。

圖3 陶瓷模失水量變化曲線及其擬合曲線

不同成型溫度和處理方式下陶瓷模的失水總量和平均失水量見表2。其結果顯示, 不同溫度范圍內陶瓷模失水量差別較大, 而同種溫度范圍不同處理方式下, 陶瓷模失水量差別較小。隨著成型溫度的升高, 陶瓷模失水量增加。B和C溫度范圍內失水量幾乎相同, 說明陶瓷模在這兩種溫度范圍內, 失水量已趨于飽和。由此得出, 成型溫度對陶瓷模失水量影響較大, 而處理方式對陶瓷模失水量影響較小。隨著溫度的升高, 加速了陶瓷模內的水分的蒸發, 使陶瓷模失水量增大從而影響其成型性。

2.2 陶瓷模的抗壓強度

圖4為陶瓷模的抗壓強度, 其值用三個試樣的平均值表示。圖4中C溫度范圍并輔助抽真空后, 陶瓷模抗壓強度最大且數據離散性較小, 說明陶瓷模在這種成型方式下表面發生了類似釉化的現象, 從而使其表面變得堅硬光滑, 承壓能力強不容易碎裂。A溫度范圍內, 陶瓷模抗壓強度也較大, 結合表2的平均失水量可得出, 此溫度范圍內平均失水量較小（4.20g）, 在燒結胎體式PDC鉆頭時, 多余的水分繼續蒸發, 易出現噴粉現象, 造成鉆頭表面產生缺陷。

圖4 陶瓷模抗壓強度

表2 陶瓷模的失水系數

B和D溫度范圍內, 陶瓷模抗壓強度較小, 特別D溫度范圍時部分陶瓷模表面出現裂紋, 如圖5所示, 圖5（a）、圖5（b）分別為C溫度范圍和D溫度范圍并輔助抽真空后陶瓷模表面形貌圖, 圖5（a）中顆粒狀的SiO2分散性比較好, 圖5（b）表面出現裂紋并向內部擴展。造成這一現象的原因是當成型溫度升高時, 陶瓷模內殘留的水分和粘接劑快速排出, 在溫度達到268℃后[20], SiO2顆粒發生了由低溫時的α-SiO2向β-SiO2的晶型轉變, 在這個過程中會產生±2.8%的體積變化, 引起材料膨脹或收縮, 在陶瓷模中產生內應力, 發生開裂或形變。因此, 在陶瓷模的成型過程中需合理控制成型溫度并采用適當的處理方式。

圖5 陶瓷模表面形貌

3 生產試制

采用上述陶瓷模成型工藝, 試制了不同規格尺寸的胎體式鉆頭如圖6所示。胎體鉆頭的兩個關鍵尺寸即外徑尺寸和PDC切削齒高度差都在允許的誤差范圍, 鉆頭體表面光滑, 外觀一致性好。

圖6 試制的鉆頭

4 結語

100℃以下成型時, 陶瓷模失水呈線性規律。成型溫度對陶瓷模失水量影響較大, 隨著成型溫度升高陶瓷模失水量增加, 失水規律由線性轉變為非線性。在100℃～200℃成型并輔助抽真空后, 陶瓷模抗壓強度較大, 采用該工藝試制的鉆頭精度高表面光滑一致性好, 大大提高了燒結鉆頭的一次合格率。