CN102294527B

CN102294527B - 金刚石薄壁钻头的钎焊工艺

Info

Publication number: CN102294527B
Application number: CN 201110214699
Authority: CN
Inventors: 华川海
Original assignee: JIANGSU HUACHANG TOOLS MANUFACTURING Co Ltd
Current assignee: JIANGSU HUACHANG TOOLS MANUFACTURING Co Ltd
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN102294527A

Abstract

本发明涉及一种金刚石钻头的钎焊工艺，其特征在于包括以下步骤：(1)45号钢薄壁钻头基体的前处理：对45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗和酸洗；(2)钎焊材料准备：将平均粒径为10-200μm的镍基钎料粉末与平均粒径为3-50μm的金刚石颗粒混合；(3)钎焊材料的预涂覆：将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的钻头表面；(4)在真空条件下进行钎焊，钎焊温度为850-980℃，保温时间20-30min。本发明的工艺制备的钎焊钻头气孔率低、金刚石和基体结合牢固，成品率高质量稳定。

Description

金刚石薄壁钻头的钎焊工艺

技术领域

本发明涉及一种钎焊工艺，更具体地说本发明涉及一种金刚石薄壁钻头的钎焊工艺。

背景技术

金刚石钻头主要用于在陶瓷、玻璃等硬质物品上打孔，这些物品的表面硬度比较高，采用普通的钢质钻头无法正常的打孔，由于金刚石钻头硬度比陶瓷和玻璃高，所以能在这些硬质物品上打孔。

金刚石薄壁钻头是一种新型的钻孔工具，由基体和刀头组成，具有钻孔尺寸精确、速度快、对材料周边无损坏和不需要后续工序等特点。主要应用于在各种建筑材料中钻进小孔和大直径孔眼，尤其是对于工程翻新或建筑改建时电线或管道的铺设有利，此外在混凝土深切、切大直径孔时其也是必不可少的工具。

金刚石薄壁钻头的工作条件比较恶劣，高速、振动、高温对金刚石钻头提出了苛刻的要求，随着钻头切削速度和进刀量的不断提高，对金刚石钻头焊缝强度的要求也越来越高。现有技术中将金刚石钻头连接钢材基体上的方法主要有热压烧结法、化学气相沉积法、电镀法以及焊接法。

其中热压烧结方法通过采用多组元单质金属粉末和金刚石混合后热压烧结而成，由于烧结温度高，对金刚石的热损伤大，胎体容易氧化；另外由于烧结时间短胎体不能达到完全和金化，从而导致钻头质量难以控制。电镀法制备的金刚石钻头尽管得到了广泛的应用，但是电镀法制备的钻头只是电镀金属膜对金刚石磨粒起包裹作用，两者之间仅限于机械结合，相对于热压烧结法，金刚石磨粒的把持力较差，金刚石磨粒与胎体的结合较弱，磨料容易过早脱落，导致使用寿命短和强度低。采用化学气相沉积方法(CVD)制造金刚石磨层，虽然能改善钻头的切割性能，但是CVD法所需设备价格昂贵，制造工艺复杂，而且金刚石脱落问题以及高精度连接的问题仍有待解决。

钎焊法也是制作金刚石钻头的常用方法，它是借助高温钎焊使钎料中的活性元素在金刚石磨粒与金属基体界面上发生溶解、扩散、化合之类的相互作用，从而提高基体对金刚石磨粒的粘结力，改善磨料、结合剂(钎料合金)、基体三者之间的结合强度。钎焊金刚石工具有以下特点：①磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长；②磨粒的出露高度大，容屑空间大，不易堵塞，磨料的利用更加充分；③磨削力、功率消耗和磨削温度低；④具有环保意义，符合当今倡导的绿色制造发展趋势。但是现有技术中的钎焊方法，由于焊接温度较高，对金刚石的热损仍然较严重，而且在金刚石膜层中会残留有气孔，影响产品的成品率。

有鉴于此，本发明的发明人经过详思细索并依赖多年从事相关工艺的研发经验，完成了本发明。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中金刚石钎焊钻头表面气孔较多、产品质量不稳定的缺陷，提供一种气孔率低、金刚石和基体结合牢固，成品率高质量稳定的钎焊工艺。

采用本发明的钎焊工艺制备的金刚石薄壁钻头适用于包括混凝土、石材、玻璃、陶瓷等非金属材料及铁、铝等金属材料的钻孔、取芯操作。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种金刚石钻头的钎焊工艺，其特征在于包括以下步骤：(1)45号钢薄壁钻头基体的前处理：对45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗和酸洗；(2)钎焊材料准备：将平均粒径为10-200μm的镍基钎料粉末与平均粒径为3-50μm的金刚石颗粒混合；(3)钎焊材料的预涂覆：将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的钻头表面；(4)在真空条件下进行钎焊，钎焊温度为850-980℃，保温时间20-30min。

优选地，所述的薄壁钻头基体，包括同轴设置的钻头基体和呈筒状的钻头，所述钻头基体分为上杆体和下杆体，所述上杆体的一端和下杆体的内端轴向固连，上杆体的另一端用于和电钻机相连；其特征在于，所述的钻头的外端边缘上具有若干个钻齿，所述的钻齿呈非连续地排列，相邻的钻齿之间具有U型槽，所述的钻齿为圆弧形。

优选地，在本发明的金刚石薄壁钻头中，所述上杆体的直径小于下杆体且两者的连接处具有一个挡肩。当上杆体装在电钻机上后，挡肩将限制上杆体继续深入电钻机的内部。

优选地，本发明的金刚石薄壁钻头中，所述的钻头基体内部具有一个内腔，所述的内腔轴向贯穿所述的钻头。所述的钻头基体的侧壁上具有一个或多个与其内腔相连通的进水口。当钻头在打孔的时候，随着加工时间的推移，钻刃部分的温度会上升的很快，这时需要通过进水口将冷却液注射到钻头基体的内腔里，冷却液沿着钻体的内壁流到钻刃上，从而使钻刃保持在一个适当的温度区间内。

优选地，在本发明的金刚石薄壁钻头中，所述钻头和钻头基体的下杆体的壁厚为2-10mm。

较佳地，在本发明的金刚石薄壁钻头中，所述钻头的直径为25-150mm。

优选地，所述的碱洗是将钻头基体置入8-15wt％NaOH、5-10wt％Na₂CO₃、5-10wt％Na₂SiO₃和3-5wt％Na₃PO₄的碱性水溶液中，清洗温度为50-85℃，时间为10-20分钟，除去钢材工件表面的油污。

优选地，所述的酸洗是将钻头基体置于3-5wt％盐酸、0.5-1.2wt％的硫脲水溶液中，酸洗时间为5-10分钟，以去除基体表面的氧化层。

优选地，真空钎焊的真空度为1×10^-1-1×10^-3Pa，升温速率为60-150℃/min，冷却方式为空冷。

优选地，对预涂覆后的钎焊材料粉末进行冷压，压力为5-12MPa，保压时间为3-5秒。

优选地，所述的镍基钎料粉末的组成和含量为Cu：10.3-15.2wt％、Mn：17.2-25.8wt％、Ti：4.5-10.8wt％、Al：7.2-12.6wt％、Sn：2.2-4.5wt％、余量为Ni。

上述镍基钎焊粉末可以通过机械球磨的方法制备得到，另外也可以通过气体雾化方法制备得到。例如可以按照以下公开的雾化方法制备上述镍基钎料粉末：

按照规定的配比，将Cu、Mn、Ti、Al、Sn和Ni原料置于熔炼炉中，在加压条件下，加热至1050-1250℃，使得原料熔化；然后在集粉器中充入高纯氩气；利用高纯氩气对熔化后的原料进行雾化，雾化压力为2-4MPa得到镍基钎焊粉末。

本发明的金刚石钻头钎焊工艺，钎焊温度适中，因而对金刚石的热损伤小，另外钎料具有良好的浸润和润湿性能，经过化学反应后在45号钢基体与金刚石之间产生牢固的冶金界面结合，形成金属基体对金刚石的牢固的保持作用，使得金刚石磨粒在钻进和切割加工期间不易过早得脱落，从而能够有效地提高钻头的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例的金刚石薄壁钻头的平面示意图。

具体实施方式

下面本发明将结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释和说明。申请人在此需要申明的是，实施例和附图仅是为了进一步说明本发明的技术方案，绝不能将其解释为对发明保护范围的限制。

实施例1

参见图1，图1为本发明一个实施例的金刚石薄壁钻头基体的平面示意图。本实施例的金刚石薄壁钻头，包括同轴设置的钻头基体1和呈筒状的钻头2，所述的钻头的外端边缘上具有5个钻齿3，所述的钻齿呈非连续地排列，所述的钻齿为圆弧形，相邻的钻齿之间具有U型槽，且其表面施加有金刚石磨粒4，述钻头基体分为上杆体12和下杆体11，所述上杆体12的一端和下杆体11的内端轴向固连，上杆体12的另一端用于和电钻机相连，所述上杆体12的直径小于下杆体11且两者的连接处具有一个挡肩13，所述的钻头基体内部具有一个内腔14，所述的内腔轴向贯穿所述的钻头，所述的钻头基体的侧壁15上具有与其内腔相连通的进水口16，所述钻头2与钻头基体1为一体成型，所述钻头和钻头基体的下杆体的壁厚为2.5mm，所述钻头的直径为50mm；基体材料为45号钢。

实施例2

本实施例的镍基钎料粉末由以下组分按照下列配比制成：Cu：10.3wt％、Mn：17.2wt％、Ti：4.5wt％、Al：7.2wt％、Sn：2.2wt％、余量为Ni。制备方法如下：

按照所述的配比，将Cu、Mn、Ti、Al、Sn和Ni原料置于熔炼炉中，在5MPa的加压条件下，加热至1250℃，使得原料熔化；然后在集粉器中充入高纯氩气；利用高纯氩气对熔化后的原料进行雾化，雾化压力为4MPa得到镍基钎焊粉末，所得的粉末形状为球形，粒径小于200μm，熔点为970℃。

实施例3

本实施例的镍基钎料粉末由以下组分按照下列配比制成：Cu：12.8wt％、Mn：21.5wt％、Ti：7.2wt％、Al：9.8wt％、Sn：3.2wt％、余量为Ni。制备方法同实施例2。所得的镍基钎料粉末的熔点为940℃。

实施例4

本实施例的镍基钎料粉末由以下组分按照下列配比制成：Cu：15.2wt％、Mn：25.8wt％、Ti：10.8wt％、Al：12.6wt％、Sn：4.5wt％、余量为Ni。制备方法同实施例2。所得的镍基钎料粉末的熔点为880℃。

实施例5

将实施例1制备的45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗除油和酸洗除氧化层；然后将实施例2的镍基钎料粉末与平均粒径为20μm的金刚石颗粒混合，使得金刚石的浓度为20％；钎焊材料的预涂覆：将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的锯齿表面，并施加冷压，压力为8MPa，持续时间为5秒；在10^-2Pa的真空条件下进行钎焊，钎焊温度为980℃，保温时间25min。

实施例6

将实施例1制备的45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗除油和酸洗除氧化层；然后将实施例3的镍基钎料粉末与平均粒径为20μm的金刚石颗粒混合，使得金刚石的浓度为20％；钎焊材料的预涂覆：将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的锯齿表面，并施加冷压，压力为8MPa，持续时间为5秒；在10^-2Pa的真空条件下进行钎焊，钎焊温度为950℃，保温时间25min。

实施例7

将实施例1制备的45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗除油和酸洗除氧化层；然后将实施例4的镍基钎料粉末与平均粒径为20μm的金刚石颗粒混合，使得金刚石的浓度为20％；将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的锯齿表面，并施加冷压，压力为8MPa，持续时间为5秒；在10^-2Pa的真空条件下进行钎焊，钎焊温度为890℃，保温时间25min。

比较例1

将实施例1制备的45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗除油和酸洗除氧化层；然后将CuMnTi钎料粉末(其中Cu：25wt％、Mn：35wt％和余量的Ti，平均粒径100μm)与平均粒径为20μm的金刚石颗粒混合，使得金刚石的浓度为20％；将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的锯齿表面，并施加冷压，压力为8MPa，持续时间为5秒；在10^-2Pa的真空条件下进行钎焊，钎焊温度为820℃，保温时间25min。

比较例2

将实施例1制备的45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗除油和酸洗除氧化层；然后NiCrBSi钎料粉末(其中Ni：82wt％、Cr：12wt％、B：4wt％、Si：4wt％，平均粒径100μm)与平均粒径为20μm的金刚石颗粒混合，使得金刚石的浓度为20％；将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的锯齿表面，并施加冷压，压力为8MPa，持续时间为5秒；在10^-2Pa的真空条件下进行钎焊，钎焊温度为1080℃，保温时间25min。

实施例5-7中的工艺钎焊温度高于比较例1中的钎焊温度，低于比较例2的钎焊温度；钎焊的实际温度低于1000℃，工艺对金刚石磨粒的热损小，而且还保持了镍基钎焊的高硬度和高刚性。通过对钎焊层的断面进行SEM观察比较可知，本发明的钎焊工艺断面的孔隙率含量比实施例1的低32-45％；比实施例2的低12-18％。而且实施例5-7钎焊的成品率要比比较例1-2高10-20％。

对钎料层和45号钢基体界面的元素分布进行分析表面，钎焊元素在界面处的浓度呈现缓慢的过渡趋势，这说明本发明的钎焊工艺使得钎料与基体在界面处存在着明显的扩散现象，由此可以认定钎焊层与钢基体形成了化学冶金结合，结合力牢固。

利用实施例5-7制备得到的金刚石钎焊钻头与比较例1-2得到的金刚石钎焊钻头进行钻进比较实验。我们发现，实施例5-7的钻头的使用寿命均高于实施例1-2。其中实施例6的钻头寿命更是显著高于比较例1-2，与之相比寿命提高了18-32％。实施例5-7的钻头中金刚石的脱落率也要低于比较例1-2。

以上所述，仅为本发明的优选的实施例，不能解释为以此限定本发明的范围，凡在本发明的权利要求书要求保护的范围内所做出的等同的变形和改变的实施方式均在本发明要求保护的范围内。

Claims

1.一种金刚石钻头的钎焊工艺，其特征在于包括以下步骤：(1)45号钢薄壁钻头基体的前处理：对45号钢钻头基体依次进行喷砂、碱洗和酸洗；(2)钎焊材料准备：将平均粒径为10-200μm的镍基钎料粉末与平均粒径为3-50μm的金刚石颗粒混合；所述的镍基钎料粉末的组成和含量为Cu：10.3-15.2wt％、Mn：17.2-25.8wt％、Ti：4.5-10.8wt％、Al：7.2-12.6wt％、Sn：2.2-4.5wt％、余量为Ni；(3)钎焊材料的预涂覆：将混合好的钎焊材料粉末预涂覆在钻头基体的钻头表面；(4)在真空条件下进行钎焊，钎焊温度为850-980℃，保温时间20-30min。

2.根据权利要求1所述的钎焊工艺，其特征在于所述的薄壁钻头基体，包括同轴设置的钻头基体和呈筒状的钻头，所述钻头基体分为上杆体和下杆体，所述上杆体的一端和下杆体的内端轴向固连，上杆体的另一端用于和电钻机相连；其特征在于，所述的钻头的外端边缘上具有若干个钻齿，所述的钻齿呈非连续地排列，相邻的钻齿之间具有U型槽，所述的钻齿为圆弧形。

3.根据权利要求2所述的钎焊工艺，其特征在于所述上杆体的直径小于下杆体且两者的连接处具有一个挡肩。

4.根据权利要求3所述的钎焊工艺，其特征在于所述的钻头基体内部具有一个内腔，所述的内腔轴向贯穿所述的钻头；所述的钻头基体的侧壁上具有一个或多个与其内腔相连通的进水口。

5.根据权利要求4所述的钎焊工艺，其特征在于所述钻头和钻头基体的下杆体的壁厚为2-10mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊工艺，其特征在于所述的碱洗是将钻头基体置入8-15wt％NaOH、5-10wt％Na₂CO₃、5-10wt％Na₂SiO₃和3-5wt％Na₃PO₄的碱性水溶液中，清洗温度为50-85℃，时间为10-20分钟，除去钢材工件表面的油污。

7.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊工艺，其特征在于所述的酸洗是将钻头基体置于3-5wt％盐酸、0.5-1.2wt％的硫脲水溶液中，酸洗时间为5-10分钟，以去除基体表面的氧化层。

8.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊工艺，其特征在于真空钎焊的真空度为1×10^-1-1×10^-3Pa，升温速率为60-150℃/min，冷却方式为空冷。

9.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊工艺，其特征在于对预涂覆后的钎焊材料粉末进行冷压，压力为5-12MPa，保压时间为3-5秒。