石墨模具热压金刚石地质钻头

     1前言

    上世纪70年代以来,金刚石地质钻头在我国得到广泛的应用,极大地提高了矿山、能源的钻探和开采效率。其中,热压金刚石地质钻头占有较大的比例。在其热压烧结工艺中,石墨模具的性能差异,对其质量有着直接的影响。

    随着科学技术的不断创新,热压金刚石地质钻头的研制也在不断地发展,新材料、新工艺、新技术的应用,与之配套的热压金刚石地质钻头用石墨模具,也需对其性能进行不断地改进和提高。

    热压金刚石地质钻头的成型方式有两类:一类是“一次成型”,主要用于地质钻探、取芯等小直径钻头。

    2热压金刚石地质钻头用石墨模具的现状

    2.1工况条件热压金刚石地质钻头的烧结工艺要求:温度达到1000℃±20℃,成型压力在16～18MPa之间,保温保压时间为4～7min,环境为非真空状态。在此工况条件下,要求作为成型及发热功用的石墨模具能够有较大的致密度、足够的机械强度、较高的电阻率和较高的纯度、抗氧化性强、气孔率小,以此确保热压金刚石地质钻头的优异性能、尺寸精度及较长的使用寿命。2.2国内热压金刚石地质钻头用石墨模具的现状从20世纪70年代以来,国内的热压金刚石地质钻头用石墨模具,一般选用高纯石墨砖加工,经过不断地选型、研制和改进,其主要技术性能参数基本上能满足其热压烧结工艺的要求。但是,与当今国际先进水平比较,还有较大的差距,举两个实例可以证明。

    (1)我们的一些客户在做一次成型的热压金刚石地质钻头时,国产石墨模具的芯柱(如图1所示)容易与胎体发生粘连、烧损现象,使用寿命短,仅能使用3～4次。而采用德国或日本进口的石墨模具,上述弊端就显得很轻微,使用寿命高达6～8次。

    (2)2009年初我们在伊朗的客户,采用二次热压成型制作金刚石地质钻头的镶块时,用国产石墨加工的石墨模具压头(如图2中的a所示),其电阻率较低,仅8～11m左右,加热电流较大,吸入金属粉末较多,使用寿命短,仅使用5～6次,即发生氧化,崩边现象。而采用德国的755石墨加工的石墨模具压头(如图2中的c所示),其电阻率较高,约13～15m,加热电流比国产的小20%左右,抗氧化性强,氧化烧损的速度较慢,使用寿命高达50-60次。

    2.3存在差距的深层原因

    研究发现,国内用于热压金刚石地质钻头的石墨模具,侧重于追求其极高的体积密度、高强度,而忽视了石墨的高纯度、高石墨化程度及超细颗粒尺寸(平均粒径)。国内常用的石墨模具的性能参数,如表1所示。

    国内外的热压金刚石地质钻头用石墨模具的显微结构如图3及图4所示。从图中可见,国内的石墨模具结构较疏松,石墨颗粒较粗。国外的石墨模具属超细颗粒结构,结构致密,气孔尺寸微校3高纯度超细颗粒结构石墨模具的优势

    用超细颗粒的碳素原料做成的高石墨化度的石墨模具,具有开口气孔率小,结构致密,表面光洁度高,抗压、抗折强度高,电阻率较高,抗氧化性强的特点。具有这些特点,便能确保热压金刚石地质钻头的尺寸精度、表面光洁度和磨削性能。

    3.1表面粗糙度

    石墨模具在金刚石地质钻头的热压过程中,要求其表面光洁度越高越好。用普通细颗粒结构的石墨模具,其表面粗糙度仅能达到6(3.2)左右。而采用超细颗粒结构的石墨模具,其开口气孔很小,表面粗糙度可抛光至10(0.8)以上的镜面。

    3.2气孔率

    在碳素原料的生成和碳石墨制品的制造过程中,都会发生有机物的热解和聚合反应,因而生成大大小孝多少不定的气孔。碳素材料的孔隙包括气孔的大孝数量及形貌,大致可分为四种类型:分子间隙,约0.344～0.3354m之间;超微孔,最大孔径不超过2m;过渡气孔,孔径宽度在10～40m之间;粗大气孔,其孔径可大于100m,它产生的原因与颗粒的形貌不规则,颗粒间的拱架现象有直接关系。当然,还有颗粒和粘合剂焦之间的裂纹,粘合剂焦化阶段所形成的气泡,或成型过程中形成的气泡有关。采用超细粒径的碳素原料来制作碳石墨制品,可以最大限度的消除石墨模具中的粗大气孔。3.3电阻率

    在碳石墨材料的工艺制作中,在采用同一种碳原料的前提下,体积密度越高,石墨化程度越高,其电阻率越校而将同样的碳原料磨成超细颗粒粉末,再做成石墨材料,其电阻率会比粗颗粒结构的石墨材料高出许多。

    3.4抗氧化性

    要增强石墨模具的抗氧化性,以延长其使用寿命,必须降低石墨材料在高温下的气化反应速度。通常情况下,影响石墨材料气化反应的因素有如下三种:(1)石墨化程度碳石墨材料的石墨化程度增高,对气体的活性下降,气化反应速度变慢。碳素材料的热处理温度越高,则其开始氧化的温度也会越高。

    (2)结构状态表面疏松和多孔的碳石墨材料,容易与气体发生反应,而表面致密的碳石墨材料,不易与气体发生反应。例如经过3200℃热处理的表面致密的热解石墨,在空气中开始氧化的温度高达850℃。

    (3)杂质的催化作用碳素材料中所含的杂质对气化反应有很大的影响,如铁、铅、锰、铜等元素对碳素材料的氧化有催化作用,尽力降低碳石墨材料的杂质含量,可以提高其抗氧化性能。

    因此,采用超细粒径的碳素原料来制作碳石墨制品,并尽力提高其石墨化温度,可以极大限度地降低碳石墨制品的气孔率,气孔的孔径和杂质含量,提高其石墨化程度,从而提高碳石墨制品的抗氧化性能,减缓其氧化烧损的速度。

    4超细颗粒结构石墨模具的技术难度

    如前所述,超细颗粒结构的石墨模具,具有上述较优异的特性,但是,我们找遍了国内绝大多数碳素生产厂商,却几乎没有该类石墨毛坯的生产。市场上仅有德国的西格里公司,日本东洋碳素公司的产品销售,而其价格高得出奇,是国内普通细粒结构石墨报价的3～4倍。究其原因,应该是制作工艺的难度很大,主要体现在如下几个方面:(1)碳素原材料的超细磨粉工艺难度极大。国内一般采用3R或4R雷蒙粉机,碳素颗粒的平均粒径只能达到37～45m,个别厂家达到25m。磨粉效率相对较高。若要将其平均粒径研磨到2～10um,其磨粉难度相当大,采用超细磨粉机,生产效率也极低,每小时产量不到15Kg,粒度检测需要专门的仪器,对于批量生产而言,难度极大,成本上升很高。

    (2)超细颗粒的碳素粉末,其松装密度很低,成型时空气排出难度大,很容易导致压制毛坯的内部气泡和开裂。