石墨模具加工(石墨模具加工机床)

　　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。

　　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1 及图2 所示。

　　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8～11? ? 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5～6 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13～15??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,约0. 344～0. 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10～40 ? 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3～4 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37～45? 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 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1 吨, 在QCM 型气流撞击磨粉机上进行磨粉、 分级、 复磨, 经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 吨, 取样测试其静态性能指标如表3 所示:将上述两组石墨模具分别上机热压6 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 2～10?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。