CN101862834A - 一次成型多层钎焊金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一次成型多层钎焊金刚石钻头的制作工艺，主要通过一定量的钎焊粉料(或钎焊粉料+金属粉)与金刚石颗粒按浓度要求混合均匀，装入模具；然后，放入在特定(如在空气中、在保护气体中、在低真空的还原气氛中、在较高的真空环境中等)条件下热压烧结设备中，加温到钎焊温度下，经过一段时间的保温后随炉冷却，即可得到多层钎焊的金刚石钻头。该钻头的金刚石磨粒与胎体间由于钎焊反应，增强了金刚石与胎体的结合强度，减少了金刚石的脱落、增大了出刃高度，从而达到多层钎焊金刚石钻头高效长寿命的特点。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

一次成型多层钎焊金刚石钻头

技术领域

本发明涉及一次成型多层钎焊金刚石钻头的制备方法，主要用于各种地质勘探的金刚石钻头、石材和金属加工用砂轮、磨具、切割片等金刚石工具的制作，利用该方法制作的金刚石钻头适用于地质矿产勘探、石材切割加工等领域。

技术背景

通常的金刚石工具可以分为电镀和烧结两大类，它们各有所长。但是由于金刚石表面存在较高地表面能，不容易与一般金属浸润，使得金刚石颗粒与胎体金属间的界面上不存在牢固的冶金结合层。金刚石颗粒只是被机械地包埋在胎体中，胎体对金刚石颗粒的把持力较小，极易因胎体磨损而使金刚石脱落，利用率不高；另一方面，由于金刚石颗粒是机械包埋，故其出露的高度较小，切削效率不高。

新一代的金刚石工具多为利用钎焊工艺的单层金刚石工具，它利用高温钎料使得钎料在金刚石颗粒、胎体金属之间发生扩散、冶金反应，从而得到富含碳化物的过度层，提高了胎体对金刚石颗粒的把持力，改善磨粒与钎料、胎体间的结合强度。在实际运用中，随着金刚石颗粒磨损失效，工具也就失效了，存在金刚石工具寿命较短的问题。

为了解决这些问题，我们提供了一种多层钎焊的金刚石钻头制作方法。既利用钎焊金属粉末与金刚石界面的反应，在金刚石磨粒与钎焊合金之间实现冶金结合，存在较高地结合强度，从而在钻进过程中，金刚石钻头具有较高的出刃量，较大的容屑空间，提高了金刚石的利用率；同时又借鉴烧结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，随着上一层金刚石的磨损失效，后层钎焊金刚石不断出刃，显著的提高了孕镶钎焊金刚石钻头的寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一次成型多层钎焊金刚石钻头的制作方法，利用该方法制作的金刚石钻头具有金刚石颗粒与胎体的结合强度高，金刚石颗粒的出刃高，钻进效率显著，寿命较长的特点。

本发明的技术方案大致如下：通过一定量的钎料粉末(图1中的2)与金刚石颗粒(图1中的1)，按金刚石浓度的要求分别称取，再加入适量乙醇、少量粘结粉末充分混合，直至均匀；将混合均匀的物料装模，合上钻头钢体；然后，或在热压感应烧结炉中、或在气氛保护钎焊炉中、或在真空炉中，经钎焊工艺一次成型；最后，经保温、冷却、脱模，机加工至钻头尺寸即可。

在上述的技术方案中，关键在于利用钎焊工艺一次成型的过程。

多层钎焊金刚石钻头的一次成型过程的如下所述：

1.按照所制作的工具的金刚石浓度，分别称量所需的金刚石颗粒与钎焊金属粉末。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中的3)，这种过渡层能与金刚石磨粒之间形成良好的冶金结合。

2.向称取的金刚石颗粒与钎焊粉末中，加入少量的金属粉末和适量的乙醇液体搅拌混合，使之混合均匀，得到金刚石与钎料的混合物料。

3.将混合物料装模，合上钻头钢体(图3中的4)，准备送入炉中钎焊。

4.送入热压感应烧结设备中、或真空钎焊设备、或有气氛保护的炉中，加热升温，直至达到970-1050℃的钎焊温度，然后在此温度下保温5-10分钟，之后随炉冷却即可得到钻头的毛坯。

最后按钻头的外形要求，机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(图4)，金刚石钻头的时效快、寿命长的特点，并且与传统工艺过程衔接，无需增加额外的钎焊设备，经济高效。

附图说明：

图1.钎焊前金刚石颗粒与胎体的示意图

图2.钎焊后金刚石颗粒与胎体、及其过渡层的示意图

图3.金刚石钻头工作部分的结构示意图

图4.金刚石颗粒的出刃形貌图

具体实施方案：

制作36mm实验用单管地质钻头

(1)、按75％的金刚石浓度，分别称取30-40目的金刚石颗粒和钎焊金属粉末；加入适量的乙醇和少量金属铜、银等，充分混合均匀，得到金刚石与钎焊粉末的混合物料；装填物料；再称取少量钎焊粉末作为非工作层，装入模具，合上钢体。

(2)将合模后的石墨模具和钢体，一起送入热压烧结设备中，加热至970-1050℃的温度，保温钎焊5-10分钟，根据需要控制冷却速度。

(3)冷却后的钻头毛坯，经脱模、机加工至钻头的尺寸即可。

通过实验室对该钻头的钻进实验说明用该种一次成型的钎焊工艺制作的金刚石钻头具有金刚石出刃高，钻进速度快，磨损均匀，金刚石磨粒更新平稳，达到了高效钻进的目的。

制作75mm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称量不同比例的金刚石颗粒与钎焊金属粉，混合来调节。

经过勘探现场的使用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左右。

Claims (6)

1.一次成型多层钎焊金刚石钻头，其制作过程：通过一定量的钎焊粉料(或钎焊粉料+金属粉)与金刚石颗粒按浓度要求混合均匀，装入模具，然后在特定(如在空气中、在保护气体中、在低真空的还原气氛中、在较高的真空环境中等)条件下，经钎焊工艺一次成型，所制得的金刚石钻头具有多层钎焊的特点。

2.按权利1所述，一次成型钎焊工艺，既可以在空气中、或保护气体(如氮气、氢气或惰性气体等)中高温感应钎焊烧结，也可以在低真空的还原气氛(如氢气)、或较高的真空条件下钎焊成型。

3.按权利1所述，所使用的胎体材料，可以由加有金属(如镍、钨、铜、银)的钎料与金刚石颗粒混合得到，也可以由钎料与金刚石颗粒直接混合得到。

4.按权利1所述，钎焊工艺需控制的温度970-1050℃、保温时间5-10Min。

5.按权利3所述，所用钎料的主要成分为：Ni、Cr和B，其主要成分Cr＝3-7％，B＝3％，余量主要为Ni＝83-90％。

6.按权利3、5所述，所制作金刚石钻头胎体通过钎焊粉料与金属粉以不同比例调配来实现。

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