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石墨模具热压金刚石地质钻头

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。

  另一类是“ 镶块式二次成型” 主要用于制作石油和天燃气开采的大直径地质钻头其相应所用的石墨模具分别如图及图所示。

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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1618MPa 之间保温保压时间为47min, 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所示容易与胎体发生粘连、 烧损现象使用寿命短仅能使用34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68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中的所示) , 其电阻率较低,811? ? m 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中的所示) , 其电阻率较高1315??m, 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及图所示。 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小。

  

  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小、 多少不定的气孔。碳素材料的孔隙包括气孔的大小、 数量及形貌大致可分为四种类型: ? 分子间隙,0. 3440. 3354 ? m 之间; ? 超微孔最大孔径不超过2?m; ? 过渡气孔孔径宽度在1040 ? m 之间; ?粗大气孔其孔径可大于100?m, 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小。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 4R 雷蒙粉机碳素颗粒的平均粒径只能达到3745? m, 个别厂家达到25 ?m。磨粉效率相对较高。若要将其平均粒径研磨到210um, 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 15 Kg, 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。

  

  ( 3) 超细颗粒结构石墨的内部开裂缺陷很难消除成品率极低用平均粒径小于10 ?m 的超细颗粒制作石墨制品在焙烧、 石墨化工艺过程中极易产生气泡容易产生内部开裂、 外裂等缺陷成品率极低。

  若要减少开裂提高其焙烧、 石墨化的成品率须采用特慢速度升温及冷却这又极大地延长了其生产周期增大资金的占用时间使得成本上升。

  5超细颗粒结构石墨模具的试制

  2007年初我们采用气流粉碎分级法将煅烧后的石油焦QCM 型气流撞击磨粉机上进行磨粉、 分级、 复磨BT - 1500 型离心沉降式粒度分析仪做批样测试其平均粒径为7. 73?m

  按照传统的碳石墨制品制作工艺经过混合,轧片磨粉压制焙烧多次浸焙石墨化等诸多工序,耗时近一年的时间制成了520×110×65 超细颗粒结构石墨模具毛坯约0. 9 取样测试其静态性能指标如表所示:将上述两组石墨模具分别上机热压次后测得普通细颗粒石墨模具的加热电流比超细颗粒结构的石墨模具要高出15A 左右检测石墨模具在热压6次后从金刚石地质钻头镶块中吸入的金属粉末含量:普通细颗粒石墨模具为3. 6% , 比超细颗粒结构石墨模( 1. 5%) 要高2. 1% 左右氧化烧损情况普通细颗粒石墨模具已经有烧损掉边现象而超细颗粒结构的石墨模具尚完好无损。

  6结语

  近三十年来我国热压金刚石地质钻头用石墨模具有了长足的进步但是与欧美日等发达国家的先进水平相比尚有较大的差距。尤其是在石墨模具的表面光洁度和使用寿命上相差基远。采用超细颗粒的碳素料制造高电阻率、 高石墨化程度、 低杂质含量、 微气孔率的石墨是热压金刚石地质钻头用石墨模具的发展方向也是制取高精度高使用寿命的热压金刚石地质钻头用石墨模具的有效途径。

  高性能的热压金刚石地质钻头用石墨模具应该具备平均粒径小于10 ? m 的超细颗粒结构、 杂质含量低、 石墨化程度高气孔率低抗压抗折强度高抗氧化性强的特性。但是要批量制作超细颗粒结构的石墨模具其技术难度相当大须攻克超细磨粉难成型时易产生分层及气泡焙烧和石墨化热处理时毛坯内部极易开裂等技术难关。

  采用气流粉碎分级法应用离心沉降式粒度分析仪进行测控可以得到平均粒度为 210?m 的超细碳素粉末颗粒采用分阶段升压保压及降压保压的冷等静压成型可消除大规格超细颗粒结构石墨成型时的分层与气泡等缺陷探究合理的装炉方法及超慢曲线升温焙烧或加压焙烧可减少超细颗粒结构石墨的内部开裂率采用慢速升温及高温通气石墨化可降低石墨化毛坯的开裂率提高其石墨化程度使其杂质含量甚微。

 

 

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