CN104912488B - 用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超硬材料工具制造技术领域，公开了一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头及其制备方法，金刚石套料钻头包括：接头，安装在所述蓝宝石掏棒机的主轴上；钻管，呈筒状，所述钻管的底端与所述接头连接；和金刚石刀头，呈环状且一体成型，所述金刚石刀头的底端通过激光焊接与所述钻管的顶端连接以使所述钻管和所述金刚石刀头形成中空腔体。金刚石套料钻头的制备方法包括：金刚石刀头粗加工制备步骤，焊接步骤，精加工制备步骤。本发明通过上述方案实现了提高金刚石刀头与钻管的同心度。

Description

用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬材料工具制造技术领域，特别涉及一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头及其制备方法。

背景技术

蓝宝石单晶具有一系列优异的物理化学性能：熔点2050℃，高硬度、耐高温、耐宇宙射线辐照能力强，良好的电绝缘性、热导性及化学稳定性，介电常数小，介质损耗低，在0.2μm～5.5μm波段具有良好的透过率。基于蓝宝石单晶的上述优异性能，蓝宝石的应用有以下方面：在蓝宝石底板上形成单晶硅薄膜，再利用CMOS工艺形成电路，作为采用具有良好绝缘性的蓝宝石的SOS底板，能够降低在底板上形成的电路耗电量。采用蓝宝石为主要原材料的LED灯，可以发出不同颜色的光。光学玻璃、高档手表壳的原材料也涉及到蓝宝石的应用，可以预计不久的将来，手机屏幕也会逐渐的由玻璃往蓝宝石方向发展。因此未来工业对于蓝宝石的需求量是非常大的。

由于蓝宝石属于硬脆材料，硬度仅次于金刚石，因此后续加工难度较大。蓝宝石生长成晶柱后，第一道工序就是用套料钻头把蓝宝石从晶柱中套出，形成一根根的蓝宝石柱体，然后再对蓝宝石柱体进行切割、研磨、划片等处理。现有技术中套料钻头在使用时存在以下问题：

(1)由于套料钻头的刀头厚度只有2mm左右，钻管的壁厚只有1mm左右，将刀头与钻管焊接在一起时，焊接的同心度不好控制，造成钻头在钻进的过程中发送抖动现象，晶体内部产生裂纹，形成废品，造成极大的浪费；同心度不好还会造成掏出的晶棒不直，影响后续的修磨；另外，钻管的壁薄，过大的荷载也容易使钻管产生变形，影响正常钻进。

(2)钻头的钻进效率不高，产生打滑现象，钻进过程有尖锐的声响，需要工人经常提钻在砂轮上修磨刀头，影响生产进度，严重情况会由于压力过大造成整个晶体的碎裂。

(3)钻头寿命短，增加了掏棒成本。

(4)钻头焊接强度不高，套料过程中有断齿或整体掉环等现象发生。

发明内容

为了至少解决金刚石套料钻头与钻管同心度差的问题，本发明提供了一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头及其制备方法。

一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头，所述金刚石套料钻头包括：接头，一端安装在所述蓝宝石掏棒机的主轴上；钻管，呈筒状，所述钻管的底端与所述接头的另一端连接；以及金刚石刀头，呈环状且一体成型，所述金刚石刀头的底端通过激光焊接与所述钻管的顶端连接以使所述钻管和所述金刚石刀头形成中空腔体。

在上述金刚石套料钻头中，作为一种优选实施方式，所述金刚石刀头的环形底端面上设置有环形焊接台阶，所述环形焊接台阶的外径与所述钻管内径过盈配合并通过激光焊接的方式连接，以保证所述钻管和所述金刚石刀头的同心度最小。

在上述金刚石套料钻头中，作为一种优选实施方式，所述金刚石刀头包括：在所述金刚石刀头的底端指向所述金刚石刀头的顶端的方向上依次设置的过渡层和工作层；所述过渡层按重量份计由以下原料组成：35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末；所述工作层按重量百分比计由以下原料组成：40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石，其中，所述金属粉末按重量份计由以下原料组成：12-35份的铁粉末，18-34份的钴粉末，34-62份的铜粉末，2-5份的锡粉末。

在上述金刚石套料钻头中，作为一种优选实施方式，自所述金刚石刀头的顶端向所述金刚石刀头底端方向在所述金刚石刀头上均匀开有多个水槽，所述水槽的深度小于等于所述工作层的高度。

以上金刚石套料钻头中的优选实施方式可以任意组合使用。

一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头(即上述金刚石套料钻头)的制备方法，所述金刚石套料钻头包括：由下至上依次连接的接头、钻管和金刚石刀头，所述制备方法包括：金刚石刀头粗加工制备步骤，制备出金刚石刀头毛坯；焊接步骤，将所述钻管和所述接头焊接在一起，将所述金刚石刀头毛坯和所述钻管激光焊接在一起，形成金刚石套料钻头毛坯；精加工制备步骤，对所述金刚石套料钻头毛坯的金刚石刀头毛坯进行修磨和开刃处理以及成品检测，得到金刚石套料钻头。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述金刚石刀头粗加工制备步骤包括：金刚石刀头胎体粉制备子步骤，按照重量份计将35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末进行混料，得到所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉；按照重量百分比计将40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石进行混料，得到所述金刚石刀头的工作层的胎体粉，其中，所述金属粉末的成分按重量份计为：12-35份的铁粉末，18-34份的钴粉末，34-62份的铜粉末，2-5份的锡粉末；烧结子步骤，将所述金刚石刀头的工作层的胎体粉和所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉填入模具中进行热压烧结，冷却后进行脱模处理，得到金刚石刀头毛坯；优选地，在所述金刚石刀头胎体粉制备子步骤中，原料铜粉末和铁粉末预先进行了还原处理。更优选地，在所述金刚石刀头胎体粉制备子步骤中，在按照重量份计将35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末进行混料时还加入酒精，所述混料时间不少于4小时；在按照重量百分比计将40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石进行混料时还加入甘油和酒精，所述混料时间不少于2小时；

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述金刚石刀头胎体粉制备子步骤之后、所述烧结子步骤之前还包括：制粒子步骤，在所述金刚石刀头的工作层的胎体粉和所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉中分别加入粘结剂进行制粒，之后进行筛分以及烘干处理；优选地，所述筛分后得到的工作层胎体粉和过渡层胎体粉的粒径不大于0.7mm。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述烧结子步骤中，先将所述金刚石刀头的工作层的胎体粉装入所述模具，之后将所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉装入所述模具，所述热压烧结处理的烧结温度为750-850℃，烧结压力为15-25MPa，保温时间为3-5min；优选地，所述冷却是指将烧结后的模具放入保温砂箱内缓冷8h。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述焊接步骤中，将所述金刚石刀头毛坯和所述钻管激光焊接在一起具体包括：在所述金刚石刀头毛坯的与所述钻管连接的端面上沿所述金刚石刀头毛坯的轴向加工出环形焊接台阶，所述环形焊接台阶装入所述钻管内空腔，且所述环形焊接台阶外径与所述钻管内径过盈配合，之后通过激光焊接将所述金刚石刀头毛坯焊接于所述钻管上。

在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述焊接步骤和所述精加工制备步骤之间还包括水槽加工步骤，在金刚石刀头毛坯的工作层上沿所述金刚石刀头毛坯的轴向均匀切割出多个水槽，所述水槽的深度小于等于所述工作层的高度。

以上方法中的优选实施方式可以任意组合使用。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用激光焊接将环形一体成型的金刚石刀头焊接在钻管上，提高了金刚石刀头与钻管的同心度，即同心度的值降低，进而实现了金刚石套料钻头的掏棒成材率高，在掏棒过程中平稳；同时还增加了金刚石刀头与钻管的焊接强度，大大减少了钻进过程中发生掉环和掉齿的现象。通过在金刚石刀头过渡层的底端面上设置环形焊接台阶，进一步保证了金刚石刀头与钻管的同心度不大于0.05mm。通过在金刚石刀头的工作层设置水槽，提高了切削效率，改善了排屑效果。采用本发明金刚石刀头的配方，可以显著提高金刚石套料钻头的掏棒效率和钻头寿命，钻进蓝宝石速度为4-10mm/min，钻头寿命为6.5-13m；掏棒成材率高达96％以上。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头的立体示意图；

图2为图1的剖视示意图；

图3为图2中A处的放大示意图；

图4为本发明实施例提供的一种设置有水槽的金刚石刀头的主视示意图；

图5为图4中沿B-B线的剖视示意图；

图6为本发明实施例提供的一种未设置水槽的金刚石刀头的立体示意图；

图7为本发明实施例提供的一种脱模模具的主视示意图；

其中，图中符号说明如下：

1接头、2钻管、3金刚石刀头、4水槽、5环形焊接台阶、31焊接面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1-图6，本发明实施例提供了一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头，其包括：接头1、钻管2和金刚石刀头3。应用时，接头1安装在蓝宝石掏棒机的主轴上，以在蓝宝石掏棒机的驱动下旋转。钻管2呈筒状以形成容纳金刚石套料钻头套出的蓝宝石柱体(或蓝宝石晶棒)的中空空间，且其底端与接头1连接，优选为焊接连接。钻管2的材质为钢材以增加钻管2的强度。金刚石刀头3呈环状且一体成型，即金刚石刀头呈整体环状，其底端与钻管2的顶端连接以使连接后的钻管2和金刚石刀头3形成筒形(即中空腔体)，该连接为激光焊接，通过激光焊接不仅提高了金刚石刀头3与钻管2的同心度，还增加了金刚石刀头3与钻管2的焊接强度。焊接面31为金刚石刀头和钻管连接部位。

在金刚石刀头3的环形底端面上设置有环形焊接台阶5，其外径与钻管2的内径过盈配合，从而进一步保证了钻管2和金刚石刀头3的同心度值最小。在金刚石刀头3的轴向上，环形焊接台阶5自环形底端面沿金刚石刀头3的轴向延伸；在垂直于金刚石刀头3的轴向方向上，环形焊接台阶5的宽度(即厚度)小于金刚石刀头3的壁厚，环形焊接台阶5自金刚石刀头3的内径处向金刚石刀头3的外径方向延伸以形成台阶状。也就是说，环形焊接台阶5是自金刚石刀头3底端面沿金刚石刀头3的轴向延伸出的凸台，凸台的厚度小于金刚石刀头3的壁厚；优选地，环形焊接台阶5是自金刚石刀头3底端面的内侧即内径边缘沿金刚石刀头3的轴向延伸出的凸台，环形焊接台阶5与金刚石刀头3为一体结构。实际中，可以通过车床在金刚石刀头3的环形底端面上加工以形成环形焊接台阶5，本实施例不对加工的方式进行具体限定。

为了提高掏棒效率和寿命，金刚石刀头3包括在金刚石刀头3底端指向金刚石刀头3顶端的方向上依次设置的过渡层和工作层。具体地，过渡层按重量份计由以下原料组成：35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末。工作层按重量百分比计由以下原料组成：40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石，其中，金属粉末按重量份计由以下原料组成：12-35份的铁粉末，18-34份的钴粉末，34-62份的铜粉末，2-5份的锡粉末；金刚石为未镀或镀衣金刚石。优选在过渡层处加工有环形焊接台阶5，也就是说，环形焊接台阶5为过渡层的一部分，其高度小于过渡层的高度，此处的高度方向为金刚石刀头3的轴向方向，进一步优选，环形焊接台阶5的高度为过渡层高度的1/4-1/2，例如当过渡层高度为2mm时，环形焊接台阶5的高度为0.5-1mm。此时，焊接面31为金刚石刀头的过渡层和钻管连接部位。

在金刚石刀头3上自金刚石刀头3的顶端沿金刚石刀头轴向均匀开有多个水槽4，如此可以提高切削效率，形成良好的排屑效果，优选，水槽4的深度小于或等于金刚石刀头3的工作层的高度，水槽4的宽度为2-4mm，数量为3-6个，优选为4个。

水槽4包括左槽壁、右槽壁以及分别与左槽壁和右槽壁对应连接的槽底，左、右槽壁相对设置，左槽壁所在的平面与右槽壁所在的平面平行且关于中心平面对称，金刚石刀头3的轴线在该中心平面内，槽底呈弧形。

钻管2的内壁与金刚石刀头3的内壁不在同一平面上，即钻管2的内壁与金刚石刀头3的内壁之间存在一个台阶，该台阶的厚度即为环形焊接台阶5的厚度，以减少在钻进过程中进入到钻管2内的蓝宝石晶棒与钻管壁3产生的摩擦力，从而实现金刚石套料钻头的正常钻进工作。例如：金刚石刀头3的内径为13-104mm，钻管2的内径为14-105mm。为了进一步利于钻进工作，金刚石刀头3的厚度为1.8-2.5mm，钻管2的壁厚为0.8-1.3mm。金刚石刀头3的高度为10mm，金刚石刀头3的工作层高度为8mm，过渡层高度为2mm。

本发明还提供了一种上述金刚石套料钻头的制备方法，用于制备上述提到的金刚石套料钻头，该制备方法包括：

金刚石刀头粗加工制备步骤，制备出金刚石刀头毛坯；焊接步骤，将钻管和接头焊接在一起，将金刚石刀头毛坯和钻管激光焊接在一起，形成金刚石套料钻头毛坯；精加工制备步骤，对金刚石套料钻头毛坯的金刚石刀头毛坯进行修磨和开刃处理以及成品检测，得到金刚石套料钻头。

焊接步骤中，在金刚石刀头毛坯的与钻管连接的端面上沿金刚石刀头毛坯的轴向加工出环形焊接台阶，环形焊接台阶装入钻管内空腔，且环形焊接台阶外径与钻管内径过盈配合，之后在钻管和金刚石刀头的轴向上施加作用力将金刚石刀头毛坯和钻管固定在一起，然后将环状刀头与钻管放入激光焊接机内焊接，通过整圈激光焊接将金刚石刀头毛坯焊接于钻管上。焊接面为金刚石刀头和钻管连接部位。

具体地，金刚石刀头粗加工制备步骤包括：金刚石刀头胎体粉制备子步骤和烧结子步骤。

在金刚石刀头胎体粉制备子步骤中，按照重量份计将35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末进行混料，得到金刚石刀头的过渡层的胎体粉；按照重量百分比计将40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石进行混料，得到金刚石刀头的工作层的胎体粉，其中，金属粉末的成分按重量份计为：12-35份的铁粉末，18-34份的钴粉末，34-62份的铜粉末，2-5份的锡粉末。优选地，原料铜粉末和铁粉末预先进行了还原处理。此时焊接面为金刚石刀头的过渡层和钻管连接部位。

在按照重量份计将35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末进行混料时还加入酒精，混料时间不少于4小时(比如4h、5h、6h)；在按照重量百分比计将40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石进行混料时还加入甘油和酒精，混料时间不少于2小时(比如2h、3h、4h)。混料时加入甘油利于金刚石在金属粉末中均匀分布。

在金刚石刀头的工作层胎体粉制备中，甘油和酒精的用量分别为金属粉末和金刚石质量之和的0.5％-1.5％，1％-2％，优选为1％，1.5％。

在金刚石刀头的过渡层胎体粉制备中，酒精的用量为铁钴铜粉(即铁粉末、铜粉末和钴粉末)质量之和的1％-2％，优选为1.5％。

在烧结子步骤中，将金刚石刀头的工作层的胎体粉和金刚石刀头的过渡层的胎体粉填入模具中，进行热压烧结、冷却后进行脱模处理，得到金刚石刀头毛坯。具体地，先将金刚石刀头的工作层的胎体粉装入模具，后将金刚石刀头的过渡层的胎体粉装入模具，热压烧结处理的烧结温度为750-850℃(比如760℃、770℃、790℃、800℃、820℃、840℃、845℃)，烧结压力为15-25MPa(比如16MPa、18MPa、20MPa、22MPa、24MPa)，保温时间为3-5min；优选地，冷却是指将烧结后的模具放入保温砂箱内缓冷8h，模具为石墨模具。金刚石刀头毛坯是在石墨模具内烧结成型的，石墨模具可以为现有技术中使用的模具，本发明实施例不对其进行改进，其包括外框、上压头、下压头和芯棒。脱模处理采用的脱模工装优选为图7所示的钢套，钢套为带有内台阶的圆环柱，钢套内径大于金刚石刀头毛坯内径0.2-0.5mm，内台阶的外径大于金刚石刀头毛坯外径0.5-1mm，钢套的高度大于石墨芯棒的高度。石墨模具冷却后采用脱模钢套将金刚石刀头毛坯从石墨模具的芯棒上脱下来，脱模时要将石墨模具上压头破坏，石墨模具芯棒放置到脱模钢套内，金刚石刀头毛坯搁置于钢套台阶上，用冷压机加压将金刚石刀头毛坯从芯棒上脱下来，注意脱模压力尽量小，能脱下即可，防止刀头断裂。

在将胎体粉填入模具前先测试各胎体粉(即工作层的胎体粉和过渡层的胎体粉)的松装密度，以此来确定模具内的填粉高度，以便于控制刮粉高度。

在金刚石刀头胎体粉制备子步骤之后、烧结子步骤之前，还包括制粒子步骤，该步骤中，在金刚石刀头的工作层的胎体粉和金刚石刀头的过渡层的胎体粉中分别加入粘结剂进行制粒，之后进行筛分以及烘干处理；进行筛分后得到的工作层胎体粉和过渡层胎体粉的粒径为不大于0.7mm，粒径优选为0.5-0.7mm，通过筛分处理使得各胎体粉的松装比大，利于烧结。粘结剂优选为由GY600粘结剂和乙二醇混合制成的胶。

为了提高切削效率，形成良好的排屑效果，在焊接步骤和精加工制备步骤之间还包括水槽加工步骤，在金刚石刀头毛坯的工作层上沿金刚石刀头毛坯的轴向均匀切割出多个水槽。

下面结合具体实施例对上述用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头的制备方法进行详细说明。

实施例一：

(1)按重量计称取工作层金属粉末：12份铁粉，33份钴粉，50份铜粉，5份锡粉以及占工作层总重量比为55％的金刚石进行配混料；工作层金属粉末和金刚石混料时加入甘油和酒精，甘油和酒精的加入量分别为工作层金属粉末和金刚石质量之和的1％和1.5％，混料时间为4小时。刀头过渡层含铁钴铜粉，按重量计称取52份铁粉，40份铜粉和8份钴粉配混料；过渡层金属粉末混料时加入酒精，酒精的加入量为过渡层金属粉末质量的1.5％，混料时间2.5小时。工作层粉末(含金刚石)与过渡层粉末混料完毕后分别加胶制粒，通过孔径为0.5mm-0.7mm的筛网，然后放入烘干箱内烘干30min，从而得到工作层胎体粉和过渡层胎体粉。

(2)填粉前先测试胎体粉的松装密度，以此来确定石墨模具内大体的填粉高度，以便于控制刮粉高度。填粉结束后将石墨模具放入真空热压烧结炉内，设定烧结温度为830℃，烧结压力20MPa，保温时间5min。烧结结束后将石墨模具放入保温砂箱内缓慢冷却8h。石墨模具冷却后采用脱模工具将刀头从石墨模具内脱下来，脱模压力尽量小(能脱下即可)，防止刀头断裂，从而得到环状刀头毛坯。

(3)焊接前在小型仪表车床上在环状刀头毛坯的过渡层的端面上加工出焊接台阶，该焊接台阶如图5所示，该焊接台阶的存在使原本平整的环形过渡层端面变为上下层结构，过渡层端面的外侧为下层，内侧为上层(该上层即为焊接台阶)，刀头焊接台外径设计为与钻管内径达到紧配合(即过盈配合)；然后通过加压将环状刀头的焊接台阶完全装配入钻管一端的内腔中，再将装配好的环状刀头与钻管放入激光焊接机内焊接，控制同心度，通过整圈激光焊接将金刚石刀头毛坯焊接于钻管上。用激光切割机在环状刀头的工作层上沿刀头轴向均匀切割4-6个水槽。之后将钻管和接头焊接在一起。

(4)用砂轮机对刀头内侧、外侧和底部进行修磨和开刃，修磨和开刃时要使用冲洗液即本领域常规磨削液，开刃时保证方向正确；刀头内侧和外侧修磨后满足钻头的成品尺寸标准，达到合格的同心度；车床夹持钻管时力度要小，以防钻管变形。

该实施例所做钻头规格为TLCB40:40×10×2.0×1.1×150，刀头与钻管的同心度为0.05。采用该钻头对蓝宝石进行掏棒，钻进蓝宝石速度为4mm/min，钻头寿命即掏棒长度为12m，较现有钻头寿命增加50％以上；掏棒成材率高达97％；该实施例的排屑槽排屑效果好。钻进蓝宝石的速度主要由工作层中的金属元素和金刚石浓度决定，采用本发明的刀头胎体粉的配方以及过渡层端面上焊接台阶的设计大幅度提高了钻头的寿命。

实施例二：

(1)按重量计称取工作层金属粉末：34份铁粉，22份钴粉，42份铜粉，2份锡粉以及占工作层总重量比为35％的金刚石进行配混料；工作层金属粉末和金刚石混料时需加入甘油和酒精，甘油和酒精的加入量分别为工作层金属粉末和金刚石质量之和的1％和1.5％，混料时间5小时。刀头过渡层含铁钴铜粉，按重量计称取52份铁粉，40份铜粉和8份钴粉进行配混料；过渡层金属粉末混料时加入酒精，酒精的加入量为过渡层金属粉末质量的1.5％，混料时间2小时。工作层粉末(含金刚石)与过渡层粉末混合完毕后分别加胶制粒，通过孔径为0.5mm-0.7mm的筛网，然后放入烘干箱内烘干30min，从而得到工作层胎体粉和过渡层胎体粉。

(2)填粉前先测试胎体粉的松装密度，以此来确定石墨模具内大体的填粉高度，以便于控制刮粉高度。填粉结束后将石墨模具放入真空热压烧结炉内，设定烧结温度为780℃，烧结压力20MPa，保温时间5min。烧结结束后将石墨模具放入保温砂箱内缓慢冷却8h。石墨模具冷却后采用脱模工具将刀头从石墨模具内脱下来，脱模压力尽量小(能脱下即可)，防止刀头断裂，从而获得环状刀头毛坯。

该实施例的(3)和(4)步骤同实施例1的(3)和(4)步骤，在此不再一一赘述。

该实施例所做钻头规格为TLCB40:40×10×2.0×1.1×150，刀头与钻管的同心度为0.05，钻进蓝宝石速度为8mm/min，相对比实施例1，本实施例钻头的钻进速度明显提高，主要是由于降低了工作层中金刚石浓度，减少了钴粉的含量，但寿命有所下降，钻头寿命仍能达到7m，较现有钻头寿命增加17％以上；掏棒成材率高达98％。

实施例三：

除工作层的配料与实施例一不同外，其他与实施例一相同，其中本实施例中工作层的配方为：按重量计工作层金属粉末为：30份铁粉，28份钴粉，39份铜粉，3份锡粉，金刚石的重量为工作层总重量的40％。

该实施例所做钻头规格为TLCB40:40×10×2.0×1.1×150，刀头与钻管的同心度为0.05，钻进蓝宝石速度为6mm/min，钻头寿命仍能达到10m；掏棒成材率高达98％。

实施例四：

除工作层的配料与实施例一不同外，其他与实施例一相同，其中本实施例中工作层的配方为：按重量计工作层金属粉末为：15份铁粉，34份钴粉，49份铜粉，2份锡粉，金刚石的重量为工作层总重量的25％。

该实施例所做钻头规格为TLCB40:40×10×2.0×1.1×150，刀头与钻管的同心度为0.05，钻进蓝宝石速度为6mm/min，钻头寿命仍能达到12m；掏棒成材率高达99％。

实施例五：

除工作层的配料与实施例一不同外，其他与实施例一相同，其中本实施例中工作层的配方为：按重量计工作层金属粉末为：35份铁粉，18份钴粉，43份铜粉，4份锡粉，金刚石的重量为工作层总重量的25％。

该实施例所做钻头规格为TLCB40:40×10×2.0×1.1×150，刀头与钻管的同心度为0.05，钻进蓝宝石速度为10mm/min，钻头寿命仍能达到6.5m；掏棒成材率高达99％。

综上所述，本发明实施例的有益效果如下：

通过采用激光焊接将金刚石刀头焊接在钻管上，提高了金刚石刀头与钻管的同心度，即同心度的值降低，进而实现了金刚石套料钻头的掏棒成材率高，在掏棒过程中平稳；同时还增加了金刚石刀头与钻管的焊接强度，大大减少了钻进过程中发生掉环和掉齿的现象。

通过在金刚石刀头过渡层的底端面上设置环形焊接台阶，进一步保证了金刚石刀头与钻管的同心度不大于0.05mm。

通过在金刚石刀头的工作层设置水槽，提高了切削效率，改善了排屑效果。通过采用金刚石刀头的配方，提高了金刚石套料钻头的掏棒效率和钻头寿命。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (12)

1.一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头，其特征在于：所述金刚石套料钻头包括：

接头，一端安装在所述蓝宝石掏棒机的主轴上；

钻管，呈筒状，所述钻管的底端与所述接头的另一端连接；以及

金刚石刀头，呈环状且一体成型，所述金刚石刀头的底端通过激光焊接与所述钻管的顶端连接以使所述钻管和所述金刚石刀头形成中空腔体；其中，所述金刚石刀头的环形底端面上设置有环形焊接台阶，所述环形焊接台阶的外径与所述钻管内径过盈配合并通过激光焊接的方式连接，以保证所述钻管和所述金刚石刀头的同心度最小。

2.根据权利要求1所述的金刚石套料钻头，其特征在于，所述金刚石刀头包括：在所述金刚石刀头的底端指向所述金刚石刀头的顶端的方向上依次设置的过渡层和工作层；

所述过渡层按重量份计由以下原料组成：35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末；

所述工作层按重量百分比计由以下原料组成：40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石，其中，所述金属粉末按重量份计由以下原料组成：12-35份的铁粉末，18-34份的钴粉末，34-62份的铜粉末，2-5份的锡粉末。

3.根据权利要求2所述的金刚石套料钻头，其特征在于，自所述金刚石刀头的顶端向所述金刚石刀头底端方向在所述金刚石刀头上均匀开有多个水槽，所述水槽的深度小于等于所述工作层的高度。

4.一种用于蓝宝石掏棒的金刚石套料钻头的制备方法，所述金刚石套料钻头包括：由下至上依次连接的接头、钻管和金刚石刀头，其特征在于，所述制备方法包括：

金刚石刀头粗加工制备步骤，制备出金刚石刀头毛坯；

焊接步骤，将所述钻管和所述接头焊接在一起，将所述金刚石刀头毛坯和所述钻管激光焊接在一起，形成金刚石套料钻头毛坯；

精加工制备步骤，对所述金刚石套料钻头毛坯的金刚石刀头毛坯进行修磨和开刃处理以及成品检测，得到金刚石套料钻头；

其中，所述焊接步骤中，将所述金刚石刀头毛坯和所述钻管激光焊接在一起具体包括：

在所述金刚石刀头毛坯的与所述钻管连接的端面上沿所述金刚石刀头毛坯的轴向加工出环形焊接台阶，所述环形焊接台阶装入所述钻管内空腔，且所述环形焊接台阶外径与所述钻管内径过盈配合，之后通过激光焊接将所述金刚石刀头毛坯焊接于所述钻管上。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石刀头粗加工制备步骤包括：

金刚石刀头胎体粉制备子步骤，按照重量份计将35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末进行混料，得到所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉；按照重量百分比计将40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石进行混料，得到所述金刚石刀头的工作层的胎体粉，其中，所述金属粉末的成分按重量份计为：12-35份的铁粉末，18-34份的钴粉末，34-62份的铜粉末，2-5份的锡粉末；

烧结子步骤，将所述金刚石刀头的工作层的胎体粉和所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉填入模具中进行热压烧结，冷却后进行脱模处理，得到金刚石刀头毛坯。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述金刚石刀头胎体粉制备子步骤中，原料铜粉末和铁粉末预先进行了还原处理。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述金刚石刀头胎体粉制备子步骤中，在按照重量份计将35-71份的铁粉末，15-42份的铜粉末和3-12份的钴粉末进行混料时还加入酒精，所述混料时间不少于4小时；在按照重量百分比计将40-75％的金属粉末和25-60％的金刚石进行混料时还加入甘油和酒精，所述混料时间不少于2小时。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述金刚石刀头胎体粉制备子步骤之后、所述烧结子步骤之前还包括：

制粒子步骤，在所述金刚石刀头的工作层的胎体粉和所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉中分别加入粘结剂进行制粒，之后进行筛分以及烘干处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述筛分后得到的工作层胎体粉和过渡层胎体粉的粒径不大于0.7mm。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述烧结子步骤中，先将所述金刚石刀头的工作层的胎体粉装入所述模具，之后将所述金刚石刀头的过渡层的胎体粉装入所述模具，所述热压烧结处理的烧结温度为750-850℃，烧结压力为15-25MPa，保温时间为3-5min。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述冷却是指将烧结后的模具放入保温砂箱内缓冷8h。

12.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述焊接步骤和所述精加工制备步骤之间还包括水槽加工步骤，在金刚石刀头毛坯的工作层上沿所述金刚石刀头毛坯的轴向均匀切割出多个水槽，所述水槽的深度小于等于所述工作层的高度。