CN101824968A - 一种新型孕镶钎焊金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钎焊金刚石磨粒的孕镶钻头的制作工艺，主要包括一次金刚石钎焊预处理工艺与一次孕镶烧结过程。第一次在金刚石包裹、钎焊预处理的过程中，通过钎焊工艺使金刚石颗粒与钎料之间产生化学结合层；第二次烧结是在金刚石钻头的成型过程中，利用模具，加压烧结成型。本发明在保留现有的制作工艺下，通过对金刚石颗粒的钎焊预处理，增强了金刚石与胎体的结合强度，从而减少金刚石的脱落、增加出刃量，达到高效长寿命的目的。本发明除用于金刚石钻头的制作，还可用于相关金刚石制品的制造。

Description

一种新型孕镶钎焊金刚石钻头

技术领域：

本发明所涉及的是一种钎焊金刚石磨粒的孕镶(多层钎焊)钻头制造技术。利用这种钎焊金刚石技术制作冶金结合金刚石孕镶钻头寿命长，可用于地质、矿山的勘探钻孔，石材、混凝土及玻璃等领域的材料加工，可以显著提高钻头寿命，降低施工成本。

技术背景：

制作金刚石工具所用的金刚石磨粒细小，一般工业用的金刚石磨粒的尺寸常在0.1-1mm左右。大多数的金刚石工具需要依靠金属作为基体，将金刚石磨粒通过机械镶嵌在胎体中，形成各种不同金刚石工具。但是，由于金刚石与金属的界面能很高，使得金刚石与金属间的浸润性和粘结能力很差，结合强度低，金刚石磨粒容易脱落。

人们对金刚石与金属的浸润性做了大量的研究，发现含有钛、铬、钒、镍等元素的铜、银合金，在高真空环境下对金刚石有较好的浸润性。因此，常将其用于金刚石工具的制作。但是，高真空的铜、银合金钎焊工具对工作高温度很敏感，限制了该技术的应用范围。

目前常见的金刚石钻头多为利用电镀或烧结工艺制作。这样制作的金刚石钻头中的金刚石磨粒与镀层金属或胎体材料之间都不存在牢固的冶金结合。金刚石磨粒只是被机械地镶嵌在镀层或胎体中。由于结合强度较小，金刚石磨粒的出刃量小，容屑空间小，金刚石磨粒容易脱落，利用率较低。

为了解决这一问题，就要提高金刚石与金属间的结合强度。最好的方法就是在金刚石表面与基体之间形成碳化物的过渡层。如此的化学结合要比传统的机械包镶牢固得多。该过渡层可以由金刚石与活性金属间的相互扩散、渗透和反应得到。常见的活性金属有：钛、钒、铬、钼、锆、钨等。在高温条件下，金刚石会与周围的活性金属发生反应，形成碳化物。为了在金刚石表面形成碳化物，可以先将含活性金属钎焊粉涂覆包裹在金刚石表面，这样在加热时，就可以得到包裹碳化物过渡层的金刚石磨粒。

到了上个世纪90年代，国内外开始研究利用钎焊技术制作金刚石制品。多数的研究是针对单层金刚石钎焊，即在基体上钎焊一层金刚石磨粒。虽然单层钎焊的金刚石制品的结合强度提高了，金刚石磨粒的出刃高，容屑空间大，但是随着金刚石磨粒的磨损、失效后，该工具也就失效了，存在寿命短的问题。

为了解决这一问题我们提出了一种多层钎焊的制作工艺。既利用钎焊工艺制造钎焊金刚石磨粒，金刚石磨粒钎焊合金内侧与金刚石实现化学键结合，钎焊金刚石磨粒金属表面与胎体之间实现冶金结合，钻削过程中，金刚石有较高的出刃量，较大的容屑空间，提高了金刚石的利用率；又借鉴孕镶金刚石钻头的制作工艺，形成钎焊磨粒在工作层内均匀分布，随着前层金刚石的磨损，后层钎焊金刚石不断出刃，显著的延长孕镶钎焊金刚石钻头的寿命。新型孕镶钎焊(多层钎焊)金刚石工具技术具有独创性，是传统金刚石工具制造技术的变革和创新。

发明内容：

本发明的目的是提供一种钎焊金刚石磨粒的金刚石钻头的制备方法，利用该方法制备的金刚石钻头具有金刚石磨粒与胎体的结合强度高，金刚石磨粒的出刃量大，钻进时效快，寿命长的特点。

本发明的技术方案大致如下：先通过在金刚石磨粒(图1中的1)表面包裹一层钎料(图1中的2)，形成钎料包裹的球状磨粒；经过筛分后，选取一定粒度的包裹磨粒进行第一次钎焊，在金刚石磨粒与钎料之间形成良好的结合过渡层(图2或图3中的3)；将烧结后的磨粒与一定量的胎体粉末混合均匀，装入已经填好水口的石墨模具中，合上钻头钢体(图4中的4)，按热压成型技术烧结成钻头形状；最后，经脱模、机加工至钻头外型尺寸即可。

在上述的技术方案中，关键在于两次烧结过程的准备和工艺。

第一次的钎焊烧结是按以下方式实现的：先在金刚石磨粒的表面均匀地喷上一层雾化的粘结剂，然后在粘结剂的帮助下包裹一层钎料粉末。该钎料粉末中主要含有Ni和Cr等元素，其中Cr易于在金刚石表面形成碳化物的过渡层(图2或图3中的3)，这种过渡层与金刚石磨粒之间有良好的冶金结合，将制得的磨粒经筛网筛分，获得所需的磨粒大小。最后，将获得的包裹磨粒放入真空炉或有保护气氛的炉中，在1025-1050℃的温度下钎焊烧结5-10Min，即可得到钎焊的金刚石包裹球(图2)或焊刺金刚石磨粒(图3)。

第二次的烧结过程是利用上一步得到的钎焊金刚石磨粒，与一定量的胎体粉末一起，加入少量乙醇，混合均匀。胎体粉末中含有WC和Cu，作为填充和粘结粉末。将混合均匀的工作层物料(图4中的6)装入已经镶嵌了水口的石墨模具中，捣实；再由一定量不含金刚石的胎体粉末作为非工作层部分(图4中的5)装填在上部；最后合上钻头的钢体毛坯，送入热压烧结设备中，加压烧结成钻头形状。

最后按钻头的外形要求，加工各部分的尺寸至图纸要求即可。

通过本发明方法制作的金刚石钻头具有金刚石磨粒与胎体的结合强度高，金刚石磨粒的出刃高，金刚石钻头的时效快、寿命长的特点。

附图说明：

图1金刚石包裹球的示意图

图2球形钎焊金刚石磨粒示意图

图3焊刺金刚石磨粒示意图

图4金刚石钻头工作部分的结构图

具体的实施方案：

1、制作36mm的试验用地质钻头

(1)金刚石包裹磨粒的制备：选择30-40目的金刚石磨粒，先喷涂雾化的粘结剂，再包裹一层活性的钎焊金属；反复这一过程直到磨粒直径达到1-1.5mm即可。

(2)金刚石磨粒的第一次钎焊烧结：将制备好的金刚石包裹磨粒放入真空炉中，加热升温到1025-1050℃，保温一段的时间，然后随炉冷却即可。

(3)金刚石钻头的第二次成型烧结：按所需的金刚石浓度称取金刚石包裹球，加少量酒精与胎体粉末混合得到含所需金刚石浓度的工作层物料。将其填入钻头模具中，再称取少量胎体粉末作为非工作层，装入模具，合上钢体，送入热压烧结炉中，加热到970℃，保温5分钟，随空气冷却。

(4)最后进行机加工，到图纸要求尺寸即可。

实验室试验的结果说明使用该技术制作的钻头的平均时效是普通孕镶钻头的两倍，达到了高效钻进的目的。

2、制作75mm的地质钻头

75mm的地质钻头的制作方法与试验钻头基本一致，只是金刚石的浓度略有不同，金刚石的浓度主要通过钎焊金刚石磨粒与胎体粉末的混合比例来调节。

经过现场的实践证明该种工艺制作的钻头寿命和时效均提高到普通孕镶钻头的两倍以上。

Claims (7)

1.一种钎焊金刚石磨粒的孕镶钻头，其制作方法包括：金刚石颗粒的预制，真空钎焊和热压烧结等工艺过程。其特征在于：先在金刚石颗粒上包裹一层较均匀钎焊粉或粘点状不连续钎焊粉，然后经真空钎焊制备钎焊金刚石磨粒；再与胎体粉末混合均匀，装入模具中，最后按热压烧结的工艺制作孕镶钎焊金刚石钻头。

2.按权利1所述，其特征在于，制作金刚石钻头所用的金刚石颗粒预先通过包裹钎焊粉末，并经过钎焊成为球状金刚石颗粒或焊刺金刚石颗粒(统称钎焊金刚石磨粒)。

3.按权利1所述，将经过钎焊的金刚石磨粒与胎体粉末均匀混合后，装入磨具，进行第二次热压烧结。

4.按权利2所述，所用钎焊粉末的主要成分是Ni、Cr和B，其主要成分Cr＝7％，B＝3.0％，余量主要为Ni＝83-90％。

5.按权利2所述，钎焊工艺需控制的温度1025-1050℃、保温时间5-10Min。

6.按权利3所述，对金刚石工具中金刚石浓度的调节主要取决于两个方面：金刚石颗粒包裹的钎焊粉末的多少；与胎体粉末混合时的比例大小。

7.按权利3所述，烧结主要工艺参数：温度950-970℃，保温3-5Min。

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