热压工艺参数设计
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发布时间：2022-05-14 12:26
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时间：2023-10-16 23:11
热压金刚石钻头的制造属于多元系固相烧结,即烧结温度低于多数材料的熔点温度,这时的黏结金属可能处于塑性、半熔融状态或液相。烧结温度、压力、保温时间三个参数构成了热压工艺的关键内容。
(一)烧结温度
烧结温度的设计依据是胎体骨架材料及黏结金属含量,骨架材料含量高时烧结温度则较高;而黏结金属含量高时烧结温度则较低。设计时,可按胎体金属主要成分熔点的75%～80%来初选烧结温度,或通过优化试验方法确定。
热压时胎体材料的致密化系数α(%)与热压时间T的关系如图6-9所示,OA段为快速致密化阶段,AB段为致密化减速阶段,BC段为终极密度阶段。温度达到一定值,胎体就开始致密化。随着温度、压力升高,胎体由快速致密化过渡到减速致密化阶段,最后趋于终极密度阶段,这时胎体中的金属原子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散。这个过程需要一定的时间,包括升温起步阶段、热压烧结阶段和保温保压阶段。
图6-9 热压致密化过程
(二)升温速度与保温时间
1.保温时间与钻头类型的关系
保温时间取决于钻头类型和规格。大直径厚壁钻头(如绳索取心钻头)要求较长的保温时间;而小直径薄壁钻头保温时间可缩短。保温时间太短会使钻头欠烧,金刚石的包镶强度低;保温时间过长则不利于保护金刚石的原始强度。可用下式来计算热压钻头的保温时间:
T=D·η (6-2)
式中:T为所需保温时间,min;D为钻头直径或最小有效尺寸,mm;η为热透率η=0.06～0.08min/mm,受模具材料与结构、胎体成分、升温速度及钻头类型等因素影响,大直径钻头及升温快时取上限,其他情况取下限。
2.保温时间与加热方式的关系
保温过程实质是模具内胎体金属粉末吸热、熔化、浸渍并黏结金刚石的过程,这个过程需要有足够的时间来保证。中频炉烧结钻头的保温时间为4～7min,而电阻炉烧结时保温时间取3～5min。温度与压力一定时,保温时间与胎体密度的关系如图6-10所示。
图6-10 温度与压力一定时,热压时间对胎体密度的影响
1—高压;2—中压;3—低压
3.关于升温速度
烧结升温速度越快,模具内的温差越大。为了使钻头胎体受热均匀,升温速度不宜太快。较慢的升温速度有利于胎体内氧化物充分还原,及时排除气体。否则升温过快会造成胎体受热不均,模具的内外温差过大,钻头外径表面提前烧结形成致密层,内部的气体难以排除,阻碍收缩。甚至因气体膨胀而导致胎体鼓泡或开裂。所以,升温速度以90～100℃/min为宜。当温度低于600℃时,升温速度取90℃/min;而600℃之后用100℃/min;到800℃时保温30s以消除模具内胎体的温度梯度差,确保胎体材料的热力学过程一致。
(三)热压压力
压力的主要作用是提高胎体的致密程度和合金化程度,提高钻头的耐磨性。制造热压金刚石钻头的加压过程分为预加压和加全压两个阶段。
预压力一般为全压力的1/5～1/4。当温度达到熔点,黏结金属对金刚石和骨架材料产生浸渍作用时,预压力可以增加金属粉末间的流动阻力,防止低熔点金属偏析、流失和不同密度粉末的分选,以保证胎体成分和性能的均质性。
全压力必须在保温阶段开始后逐渐加上,以利于分布均匀的胎体粉料形成“合金”金相,达到设计的密实度和耐磨性。根据胎体成分及保温时间等因素,全压力一般取15～22MPa。增大全压力,有利于提高胎体的密实度与硬度,但过高的压力对提高胎体密实度意义不大,只能增加功耗,降低石墨模具的使用寿命。
热压温度与时间一定时,压力对胎体密度的影响见图6-11。热压压力一定时,热压时间对钻头胎体密度的影响见图6-12。
图6-11 热压压力对胎体密度的影响
图6-12 热压时间对胎体密度的影响
热压温度:T1＞T2
