CN103790520B - 钻头和用于钻头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻头，它具有一个钻削头、一个中间件和一个杆。钻削头由烧结的含碳硬质合金构成。中间件由钢构成并且沿一条轴线设置在钻削头与杆之间。在中间件的钢中的碳的活性在一个在1100℃至1450℃的温度范围内的温度下大于在烧结的硬质合金中的碳在该温度范围内的活性。

Description

钻头和用于钻头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种钻头，特别是一种用于旋转凿岩开采岩石的扩孔刀。此外本发明还涉及一种用于钻头、扩孔刀的制造方法。

背景技术

活性是对于由于浓度变化、在这里由于碳浓度的局部变化引起的化学势的变化的尺度。如果力求降低吉布斯(Gibb'sche)焓，则碳典型地扩散到一些区域，在这些区域内其活性较小并且它在中心可以降低化学势。在钢中的碳的活性典型地还随着在1000℃至1400℃的范围内渐降的温度和渐增的碳浓度而升高。在硬质合金中，特别在嵌入金属粘合剂中的碳化钨中，活性在该温度范围内显示出对温度的较小的依赖性。可以借助其碳浓度和也通过添加其他的合金材料影响硬质合金和特别是中间件的活性。此外可以通过过程环境影响活性。例如一个富氢的或富氧的过程气氛降低在钢中的碳浓度并且间接地降低碳的活性。碳在钢中或硬质合金中的活性可以例如在含氧的气体气氛中确定。从校准的二氧化碳浓度可以导出在固体中的化学势和碳的活性。例如由JP 4225858 B2已知一种类似的测量方法。理论计算能够实现根据材料成分计算出在钢或硬质合金中的碳的活性。为了确定制成的钻头的活性，在离开在钻削头与中间件的接合区域至少50μm的地方取出一些材料试样，在接合区域内在制造时由于扩散可能发生碳的化学势的平衡。

发明内容

一种钻头具有一个钻削头、一个中间件和一个杆。钻削头由一种烧结的含碳的硬质合金构成。中间件由钢构成并且沿一条轴线设置在钻削头与杆之间。在含铁的中间件中的碳的活性对于至少在1100℃至1470℃的温度范围内的温度等于或大于在烧结的硬质合金中的碳在该温度时的活性。

一种按照本发明的用于钻头的制造方法包括各步骤：将由一种含碳的硬质合金和一种粘合剂制成的生坯成型为一个钻削头；由一种含碳的铁基粉末成型一个中间件；将钻削头和中间件接合成一个半成品；在一个在中间件中的碳的活性至少与在生坯中的碳的活性一样大的温度下烧结半成品；以及将烧结的半成品材料锁合地接合在一个杆上。在一个钻头特别是一个扩孔刀中，在钻削头与中间件之间的接合区遭受很高的机械负荷。因此对接合区的质量和强度设置很高的值。在将钻削头烧结接合到中间件上的实验中，在大多数的钢中在接合区内都产生了易裂的、具有显微空隙的脆相。利用耗费的一系列实验可以作为适合的参数识别碳的活性，如果将其选择在钻削头中最多与在中间件中相同大小，则阻止易裂的接合区的构成。在硬质合金中的碳的浓度以约5wt％至7wt％明显高于在钢中的碳的浓度。因此如果确实如此令人惊喜的是，碳要从贫碳的中间件扩散到富碳的硬质合金中。

可以将中间件与作为生坯的钻削头接合。将中间件和钻削头共同在一个优选在1100℃与1450℃之间范围内的温度下共烧结。在钢中的碳的活性在该温度下大于在钻削头中的活性。碳的活性在中间件中在该温度下例如大于0.3。一种备选的制造方法在一个在1300℃与1470℃之间的温度下预烧结钻削头并且将烧结的钻削头与中间件的生坯接合。它们共同在一个较低的例如在1100℃与1350℃之间的温度下通过烧结进行接合。碳的活性必须在接合时校准，以致活性在中间件中高于在钻削头中。

在中间件中的碳的活性应该是高的，这本身仅被认为可以通过高的碳含量达到。不过碳含量降低铁基粉末的熔化温度，这增加成型和烧结的困难。在中间件中的碳含量可以为至少0.20wt％，例如至少0.5wt％，最多1.5wt％，例如最多1.1wt％。可以使用至少20％至最大80％，优选直到40％的高的镍份额，以便提高碳的活性，因此在较小的碳浓度时得到高的活性。

一种实施形式设定，烧结的硬质合金的粘合剂具有在6wt％与9wt％之间的份额。粘合剂的份额决定性地影响在硬质合金中的碳的碳含量和活性，其硬质合金相优选由二元的或三元的碳化物构成，例如碳化钨。粘合剂可以具有至少20wt％份额的钴。富钴粘合剂例如单纯由钴构成的粘合剂，在烧结温度下显示出较高的大于0.3的活性。

一种实施形式设定，钻削头通过烧结过程材料锁合地与中间件连接。中间件优选是烧结的。一种实施形式设定，钻削头的长度沿轴线等于或小于中间件的长度。

附图说明

下面的说明书借助示例性的实施形式和附图阐述本发明。在附图中：

图1示出一个钻头。

具体实施方式

图1示出一个钻头10的一种实施形式，该钻头特别适用于凿孔应用。钻头10具有一个钻削头11和一个杆12。杆12基本上是圆柱形的并且可以设有螺旋13并且在插入端15的区域内设有键槽14。

钻削头11经由一个中间件16固定在杆12上。钻削头11以其背面17通过一个由烧结过程制成的扩散区材料锁合地与中间件16的一个侧面18连接。钻削头11可以附加地与中间件16热机械地力锁合和形锁合地连接。杆12与中间件16的另一侧面19材料锁合地连接，优选钎焊或熔焊。

示例的钻削头11设有两个刀刃20、21。两个刀刃20、21以一个在20°与120°之间的范围内的角度相交。钻削头11制成一个实体头的形式。具有刀刃20、21和轴颈22的整个的钻削头11是一个连贯的由一种材料亦即硬质合金构成的元件。硬质合金作为硬材料相可以包括由烧结的碳化钨类构成的材料。碳化钨具有整个硬质合金的至少70％的份额。可以将选自例如碳化钛、碳化钒、碳化钽、碳化铌、碳化钽铌、碳化钼、碳化铬、碳化锆和碳化铪组的一种或多种碳化物混入碳化钨中。碳化钨作为颗粒存在，它们以例如在0.4至15μm范围内例如优选大于0.8μm和/或小于10μm的直径嵌入由金属粘合剂材料构成的基质中。粘合剂可以包括由钴、镍、铁构成的合金。硬材料相在整个的混合物中具有90wt％至98wt％，优选91wt％至94wt％的份额。粘合剂材料优选以在2wt％与10wt％之间优选6wt％至9wt％的份额混入。

杆12由钢制造。钢优选是未精炼的或低精炼的，亦即对钢以少于5wt％的相应的份额混入添加物，特别是钢具有少于2wt％的镍份额。由铁合金构成的中间件16优选熔焊或钎焊在由钢制成的杆12上。通过在中间件16中的高的铁份额确保具有高质量的接合区。

用于钻头10的制造方法如下进行：通过粉末冶金方法制造钻削头11。将混入金属粘合剂材料例如钴、镍、铁、铬、钼的硬质合金例如碳化钨和有机的基质的粒料压制成型。作为备选方案，可以将混合物注射到一个模具中。使有机的基质溶出。在该阶段，产品被称为生坯。钻削头11的生坯基本上具有以后的钻削头11的形状。在1300℃与1470℃的温度下烧结生坯。基于碳化钨-钴的硬质合金的烧结例如在高于1330℃的温度下进行。因此烧结温度高于钴碳(Kobaltkohlenstoff)的熔化温度继而也高于碳化钨-钴碳-低共熔合金的熔化温度(1309℃或1320℃)。由嵌入富钴的粘合相中的碳化钨晶粒构成的组织只可以按粉末冶金方法实现。如果例如在1400℃下烧结由细粒的单碳化钨和6质量％的钴构成的粉末混合物，则要调准在固体的碳化钨与相应浓度的熔体之间的平衡。在充分缓慢冷却时，首先进一步分离出优选结晶在仍然或已存在的碳化钨上的碳化钨。低共熔合金的碳化钨也以同样的方式累积，从而没有观察到在硬质合金的组织中的典型的低共熔结构。在才出现液态相时，由于强烈的压实大大增加坯料的抗弯强度。液态相浸湿碳化物晶粒并且侵入小孔隙和毛细管中并因此导致一种无小孔的组织。达到的和为钻削头所需的孔隙充满度据此按照合金类型处在99.8％至99.95％。在此碳化物在硬质合金的组织中的构成具有特别的重要性。

中间件16同样通过粉末冶金方法制造。将铁基合金作为粒料在一种有机的基质中压制成型。作为备选方案，可以将混合物注射到一个模具中。接着使有机的基质溶出，以便制造中间件16的生坯。将完成烧结的钻削头11安放到中间件16的生坯上。在一个在1100与1350℃之间的温度下，烧结贴紧钻削头11的生坯。使用的铁合金的烧结可以在与硬质合金相比在较低的温度下在不损失关于机械稳定性的情况下进行。不过用于烧结过程的持续时间随着渐降的温度超比例地增大，因此在1200至1350℃范围内的温度是优选的。在烧结中间件16的生坯期间实现在已烧结的钻削头11与构成的中间件16之间的材料锁合的和必要时形锁合的连接。为此适当地选择钻削头11和中间件16的材料成分，否则出现不足以用于扩孔刀的可机械承载的接合区。下面详细地讨论一些适合的实例。

将由烧结接合的钻削头和中间件的半成品熔焊或钎焊到杆上。中间件的材料成分匹配于与杆的良好的可焊性。

下面说明用于硬质合金和中间件的材料成分的实例，借其可以很有成效地制造出所需质量的钻头10。

第一组硬质合金包括一种基于金属碳化物优选碳化钨的硬材料和一种主要由钴构成的金属粘合剂。粘合剂具有6wt％至9wt％的份额。在硬质合金中的碳含量受到很窄的限制，含量处在5.55wt％和5.6wt％的范围内。在含量只稍高些时，例如5.62wt％时，碳的活性在烧结的典型温度下超过0.6，对此可能得不出用于铁基中间件的各材料成分，它们可以在没有构成减弱的接合区情况下烧结接合。

第二组硬质合金包括一种基于金属碳化物优选碳化钨的硬材料和一种铁镍基的金属粘合剂。粘合剂在整个硬质合金中具有7.5wt％至8.5wt％的份额。关于粘合剂，铁份额为至少55wt％和最多85％，镍份额为至少18wt％和最多23wt％。粘合剂的另一组成部分可以是具有在18wt％与23wt％之间份额的钴。这些硬质合金的特点是其在一个在1100℃与1350℃之间的温度范围内比较小的在0.25与0.3之间的碳活性。硬质合金的碳含量在5.65wt％与5.75wt％之间的范围内选择，以便达到所要求的硬质合金的硬度。用于第二组的实例是Fe80Ni20和Fe60Ni20Co20。

第三组硬质合金包括一种基于金属碳化物优选碳化钨的硬材料和一种铁镍基的金属粘合剂。粘合剂在整个硬质合金中具有7.5wt％至8.5wt％的份额。关于粘合剂，铁份额在60wt％与70wt％之间，镍份额在30wt％与35wt％之间。粘合剂的剩下的份额可以是钴。硬质合金的一碳含量在5.65wt％与5.75wt％之间的范围内选择。用于第三组的实例是Fe64.2Ni31Co4.8。碳的活性在第三组中稍高于在第二组中的，在1000℃与1400℃之间的温度范围内大致在0.28与0.32之间。

用于中间件的第一材料组基于铁镍合金。镍份额优选处在20wt％与40wt％的范围内。钴可以以直到20wt％的份额掺入。占优势的份额是铁。其他的金属混合物和硅总共具有少于1.0wt％的份额。实例是因瓦(FeNi36)和卡瓦(FeCoNi29)。

用于中间件的第二材料组基于低合金钢，具有在1.2wt％与2wt％之间范围内的铬份额。占优势的份额是铁。其他的金属混合物和硅总共具有少于1.0wt％的份额。实例是DIN100Cr6。在1250℃温度下，碳活性为0.27。

由第一硬质合金构成的压制成钻削头的生坯与中间件的第一材料组的烧结接合可以以一个无脆的接合区实现。利用至少0.6wt％的碳含量可以将碳的活性校准到一个高于第一硬质合金的活性的数值。多于0.8wt％的碳含量导致在烧结接合时中间件的压制生坯的熔化和接着变坏的连接并且由于使用的材料扩散引起的不正确的材料成分。含镍很多的成分如因瓦(镍份额>30wt％)个别地从0.8wt％起显示出在针对钻削头所需要的烧结温度范围内熔化温度降低。

可以将具有0.65wt％的碳的因瓦与第一硬质合金(8.0wt％钴，5.60wt％碳)在1250℃下在无生坯的脆相和熔化情况下烧结接合。碳的活性在中间件中为约0.66，而在硬质合金中为0.6。在因瓦中的稍高的碳活性作为因果关系被看成是很好的连接。在具有0.4wt％的碳的因瓦中产生一个脆的接合区，碳的活性在1250℃的烧结温度下在因瓦中只为0.4。虽然通过增加碳含量可以任意提高碳的活性。但用因瓦的实验从0.75wt％的碳起显示出熔化温度的降低，由此中间件在烧结期间失去其形状。因此对于适合的材料成分只得到一个小的窗口。

可以将具有0.7wt％的卡瓦在1250℃下无生坯的脆相和熔化情况下烧结接合到第一硬质合金(8.0wt％钴，5.60wt％碳)上。碳的活性在稍微贫镍的卡瓦中与因瓦相比在相同的碳含量时是更小的。活性在所述的成分中为约0.7。在低于0.5wt％的碳含量时只部分良好地连接，特别只在低的烧结温度下才是可能的。可能直到0.8wt％的碳都未看到熔化。

烧结温度影响第一材料组和第一硬质合金的碳的活性。活性在第一材料组中随着渐增的温度下降而相反在第一硬质合金中升高。在1100℃至1350℃范围内的低的烧结温度对于这些组合的烧结接合证明是有利的。在还要更低的温度下的烧结导致钻削头的有缺陷的构成和连接。

同样可以将第二材料组与第一硬质合金烧结接合。可以以在0.8wt％至1.1wt％之间范围内的碳含量在无脆相和熔化情况下使用100Cr6。选择的烧结温度处在1250℃的范围内。

可以将第二组硬质合金与第一材料组烧结接合。可以在1100℃与1470℃之间的范围内选择烧结温度。碳含量从0.2wt％起在第一材料组中证明是足够的，这为在第二硬质合金(例如具有Fe80Ni2的碳化钨或具有Fe60Co20Ni20的碳化钨)中较低的碳活性配置。通过第一材料组的热性能得出用于碳含量的上限。

可以将具有0.27wt％的碳含量的因瓦在1250℃下在无弱点情况下接合到具有7.5wt％的Fe80Ni20的第二硬质合金上。可以将具有0.29wt％的卡瓦接合在硬质合金上。卡瓦的碳含量应该大于0.25wt％。同样可以将第二材料组与硬质合金接合。具有0.81wt％的碳含量的100Cr6显示出没有脆相并且在1250℃下是机械稳定的。

也可以将因瓦与第三组硬质合金烧结接合。在1250℃下0.35wt％的碳含量在因瓦中产生一种与由碳化钨和Fe64.2Ni31Co4.8构成的硬质合金很好的连接，卡瓦在相同的条件下可以以0.37wt％的碳含量进行接合。

在另一种实施形式中，这样改变接合方法，以致不对钻削头进行预烧结。将钻削头的生坯与中间件的生坯连接。在1250至1460℃的烧结温度下同时烧结钻削头和中间件的生坯。

一些将由第一硬质合金构成的钻削头的生坯共烧结到由含碳的因瓦构成的中间件上的尝试都失败了。虽然在第一硬质合金中的碳的活性在约1380℃时突然下降，但这不可能不足以补偿在因瓦中随着渐增的温度而渐降的活性。通过超过50wt％的高的碳份额提高活性在1400℃的烧结温度时导致一个热不稳定的中间件。

可以将由第二硬质合金例如Fe80Ni20构成的钻削头与由具有0.36wt％的碳含量的因瓦构成的中间件共烧结。中间件在1300℃至1400℃范围内的温度下证明是热稳定的并且具有0.35(在1300℃)至0.25(在1400℃)的活性与在第二硬质合金中0.2的活性相比证明是足够高的。在0.3wt％至0.48wt％之间的碳含量能够在该温度范围内实现共烧结。

可以将由第二硬质合金例如Fe80Ni20构成的钻削头与具有0.48wt％的碳含量的卡瓦共烧结。卡瓦相比因瓦证明是更热稳定的，这允许更高的碳含量。

Claims (15)

1.钻头，具有一个由烧结的含碳硬质合金构成的钻削头、一个杆和一个烧结的铁基中间件，该中间件沿一条轴线设置在钻削头与杆之间，其中在中间件中的碳的活性对于在1100℃至1470℃的温度范围内的温度等于或大于在所述硬质合金中的碳在该温度下的活性。

2.按照权利要求1所述的钻头，其特征在于，中间件具有至少0.20wt％的碳含量。

3.按照权利要求1或2所述的钻头，其特征在于，烧结的含碳硬质合金的粘合剂具有在6wt％与9wt％之间的份额。

4.按照权利要求3所述的钻头，其特征在于，粘合剂具有至少80wt％份额的钴，而中间件具有在0.6wt％与1.1wt％之间的碳含量。

5.按照权利要求3所述的钻头，其特征在于，粘合剂具有在18wt％与23wt％之间份额的钴，而中间件具有在0.2wt％与1.1wt％之间的碳含量。

6.按照权利要求1或2所述的钻头，其特征在于，钻削头的长度沿轴线等于或大于中间件的长度。

7.用于钻头的制造方法，包括下列步骤：

将由含碳的硬质合金和粘合剂制成的生坯成型为一个钻削头，

由含碳的铁基粉末成型一个中间件，

将钻削头和中间件接合成一个半成品，

在一个在中间件中的碳的活性至少与在生坯中的碳的活性一样大的温度下烧结半成品，以及

将烧结的半成品材料锁合地接合在一个杆上。

8.按照权利要求7所述的制造方法，其特征在于，将钻削头作为生坯与中间件的生坯共烧结并且温度处在1250℃与1470℃之间的范围内。

9.按照权利要求7所述的制造方法，其特征在于，将钻削头成型为生坯，在1250℃至1470℃下烧结钻削头的生坯并将烧结的钻削头与中间件的生坯在处在1100℃与1350℃之间范围内的温度下烧结接合。

10.按照权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，在中间件中的碳的活性在1100℃至1450℃的温度下大于0.3。

11.按照权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，硬质合金包含6wt％至9wt％的金属粘合剂，而含碳的铁基粉末包含至少0.20wt％的碳。

12.按照权利要求11所述的制造方法，其特征在于，含碳的铁基粉末包含在0.2wt％与1.1wt％之间的碳。

13.按照权利要求11所述的制造方法，其特征在于，金属粘合剂包含至少50wt％的钴，而含碳的铁基粉末包含在0.6wt％与1.1wt％之间的碳。

14.按照权利要求11所述的制造方法，其特征在于，粘合剂包含在18wt％与23wt％之间的钴。

15.按照权利要求11所述的制造方法，其特征在于，中间件具有在1.2wt％与2.0wt％之间的铬和0.7wt％至1.1wt％的碳份额。