影響金剛石鉆頭質量和穩定性的關鍵因素是胎體配方和產品燒結工藝,由于金剛石鉆頭胎體配方一直是各廠家秘而不宣的機密,因此這里重點談談金剛石鉆頭的燒結工藝。
金剛石鉆頭的燒結工藝的目的是通過一定的工藝處理讓產品基體(一般采用45#鋼或40Cr鋼,也有少量采用特殊鋼)和胎體粘結在一起,同時讓金剛石胎體獲得特定性能(如硬度,耐磨性,抗沖擊性等),燒結完成以后在基體部位加工絲扣方便和鉆桿或巖心管連接,而金剛石工作層可以對不同的巖層進行鉆進。
金剛石鉆頭燒結工藝主要包括三個參數,溫度,壓力和時間。一般生產過程為升溫升壓,保溫保壓,降溫降壓三個階段,也可以設計多階段的工藝曲線進行燒結,這個依據廠家的實際情況而定,不完全相同。
金剛石鉆頭的燒結溫度范圍大多在600-1000℃之間,因為金剛石胎體是由多種不同密度,粒度,熔點均不相同的金屬粉末在同一個模具中進行加壓燒結,燒結過程中骨架料(高熔點金屬粉末)不會融化,而低熔點金屬粉末會融化或形成熔融狀態,熔融狀態的金屬流動填充到骨架料的縫隙中間,起到粘結骨架的作用,有點類似于鋼架結構的焊點,形成的金剛石胎體是一種假合金。骨架料和低熔點金屬共同包裹金剛石,使金剛石可以刻取巖石,鉆頭就能順利鉆進。
在燒結過程中,要注意溫度,壓力和時間的設置對生產所產生的影響。升溫過程中注意控制壓力升幅不能太大,主要是考慮到石墨模具在低溫時強度低,脆性較大,加壓幅度太大容易產生裂模。保溫階段主要控制溫度,由于多種金屬熔融燒結有其最佳保溫溫度區間,在此溫度區間某種配比的粉料會獲得很好的性能,低于或高于此區間產品質量都會差別很大。壓力的控制也很關鍵,過大會使工作層密度偏大,鉆頭鉆進效率低;過小會使工作層密度偏小,鉆頭不耐磨或對金剛石的把持能力變差,造成金剛石脫落,影響鉆頭質量。時間的長度影響在于金屬的熔融和流動需要一定過程,時間太短金屬融合不夠,性能變差;時間太長會造成成本上升,同時會使金剛石的品級下降,也會影響產品質量。
除了以上三個因素以外,其他一些因素也會影響產品燒結的質量。比如在南方,春天雨水較多,空氣潮濕,濕度很大,石墨模具容易受潮吸附大量水分,燒結時溫度升高,水分受熱膨脹,大量的水蒸氣會造成噴粉,導致產品報廢。另外燒結過程中紅外線測溫頭的位置點和距離要合適,減少誤差。中頻感應燒結感應圈的位置不正確也會影響產品質量等等。