CN105604490A - 一种高性能孕镶金刚石钻头胎体及钻头的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高性能孕镶金刚石钻头胎体及钻头的制备方法，该胎体按重量份数包括如下原料：纯Cu粉45～55份，纯Co粉20～30份，纯Sn粉12～18份，纯Ti粉3～8份，纯Cr粉3～8份。本发明提供的胎体能够与金刚石紧密结合，对金刚石有较好的粘结性能，而且胎体的磨损特性较好。本发明的包含该胎体的高性能孕镶金刚石钻头的制备方法包括配置胎体、与金刚石混合、热压烧结、保温、冷却、钎焊，制得的孕镶金刚石钻头具备较好的耐磨性，加工质量高，加工结构陶瓷的工作寿命可达到2200mm以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于加工结构陶瓷的钻头及其制备方法，特别涉及一种高性能孕镶金刚石钻头胎体及钻头的制备方法。
背景技术
随着全球业界对高精密度、高耐磨耗、高可靠度机械零组件或电子元件的要求日趋严格，陶瓷产品的市场成长率日益可观。结构陶瓷具有优越的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐磨耗、高温强度等性能，在非常严苛的工程应用条件或环境下，也可以展现出稳定性优异的机械性能，因此其在材料工业上倍受瞩目，使用范围亦日渐扩大。结构陶瓷的这些性能，使得孕镶金刚石钻头在其机械加工中得到广泛应用。而孕镶金刚石钻头的加工性能取决于其胎体配方和制备方法。
目前，孕镶金刚石钻头的主要缺点在于无法实现金刚石磨粒的磨损速度与胎体的磨损速度保持同一，胎体磨损过快或磨损过慢均会降低金刚石钻头的加工效率以及加工寿命。因此，研制性能优异的孕镶金刚石钻头胎体具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够提高结构陶瓷的加工效率和加工寿命的高性能孕镶金刚石钻头胎体，本发明的第二目的是提供一种包含该胎体的高性能孕镶金刚石钻头的制备方法。
技术方案：本发明所述的高性能孕镶金刚石钻头胎体，按重量份数包括如下原料：纯Cu粉45～55份，纯Co粉20～30份，纯Sn粉12～18份，纯Ti粉3～8份，纯Cr粉3～8份。
纯Cu粉优选为48～52份；纯Co粉优选为24～27份；纯Sn粉优选为14～16份；纯Ti粉优选为4～6份；纯Cr粉优选为4～6份。
本发明所述的包含上述胎体的高性能孕镶金刚石钻头的制备方法，包括如下步骤：
(1)按重量份数配制胎体，将浓度为75％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中热压烧结，当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体，其中，烧结温度为660～700℃，烧结压强为14.6～14.8MPa；
(2)将金刚石烧结体保温1.8～2.4min后，冷却至室温；
(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明制备的高性能孕镶金刚石钻头胎体能够与金刚石紧密结合，对金刚石有较好的粘结性能，能增加金刚石磨粒的出露高度，提高了磨粒对孔底陶瓷的刻取量；而且胎体的磨损特性较好，良好的磨损特性则使胎体具有一定的磨损速度，不至于磨损太慢而影响后续金刚石磨粒的出露，金刚石时刻保持自锐性，保证金刚石磨粒磨损速度与胎体磨损速度的同一性，能够高效率加工高强度、高硬度的结构陶瓷材料，结构陶瓷产生的裂纹较少；(2)包含本发明的胎体的孕镶金刚石钻头具备较好的耐磨性，加工质量高，加工结构陶瓷的工作寿命可达到2200mm以上。
附图说明
图1为本发明制备的高性能孕镶金刚石钻头胎体的断面图；
图2本发明制备的高性能孕镶金刚石钻头胎体的磨损形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的高性能孕镶金刚石钻头胎体，按重量份数包括如下原料：纯Cu粉45～55份，纯Co粉20～30份，纯Sn粉12～18份，纯Ti粉3～8份，纯Cr粉3～8份。
该胎体以Cu和Co为主要金属，铜与钴结合，烧结时，两者能够很好地合金化，制得的胎体对金刚石有较强的包镶作用。其中，铜与碳化物及骨架材料的相容性很好，有助于提高胎体的成型性和可烧结性，同时，以铜粉为原料，能够有效降低胎体的烧结温度，减少高温对金刚石质量的损害；钴抗弯强度高，加入钴可提高胎体的抗弯强度，并且，钴对金刚石有较好的润湿性，钴的存在有助于其他碳化物的生成。
而且，本发明在铜粉和钴粉中添加适量的Sn、Ti、Cr等金属粉末进行合金化，改善胎体对金刚石的润湿性，使金刚石钻头具有较好的韧性和自锐性，获得较好的加工性能。
圆锥体扩口圆直径与孔径比值(崩豁比)和锥体高(崩豁深度)通常作为钻头性能评价参数之一，相同钻压下崩豁比及崩豁深度越小，钻头性能越好，反之则钻头性能越差。使用本发明的胎体配方制得的孕镶金刚石钻头性能优越，加工结构陶瓷时，崩豁比及崩豁深度较其他类型钻头的数值小，且本发明中的孕镶金刚石钻头的磨损量较小，加工结构陶瓷的工作寿命可达到2200mm以上。
如图1，从胎体断面可以看出，金刚石磨粒与胎体间结合紧密，且脆性断裂特征明显，这一方面说明胎体对金刚石磨粒有较好的粘结性能，另一方面也说明胎体的磨损特性较好。良好的粘结性能增加了金刚石磨粒的出露高度，提高了磨粒对孔底陶瓷的刻取量；良好的磨损特性则使胎体具有一定的磨损速度，不至于磨损太慢而影响后续金刚石磨粒的出露。如图2，从胎体磨损形貌可以看出，金刚石磨粒周围形成了明显流沙现象，磨粒出露高度高，其前端及侧面沟槽的深度稍深，从而有能力排出钻削过程中产生的大量磨屑，同时由于钻头胎体和孔底间隙增大，使冷却液的正常冲洗得到保证，也使金刚石磨粒得到充分冷却，保证了结构陶瓷工件的加工质量。
本发明的包含上述胎体的高性能孕镶金刚石钻头的制备方法，步骤包括：配制胎体，将金刚石与胎体混合、热压烧结制成金刚石烧结体；将金刚石烧结体保温、然后冷却至室温；待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。通过控制烧结温度和烧结压强、保温时间，可使胎体粉末很好地熔合并合金化，同时不会损害金刚石质量，确保形成的胎体对金刚石良好的浸润及包镶能力，且胎体具备合适的耐磨性。
实施例1
原料：纯Cu粉50份，纯Co粉25份，纯Sn粉15份，纯Ti粉5份，纯Cr粉5份。
制备方法：(1)将上述原料混合形成胎体，将浓度为75％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中，控制温度为660℃、压强为14.7MPa，热压烧结；当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体；(2)将金刚石烧结体保温2min，然后冷却至室温；(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。
此处“浓度为75％的金刚石”是指金刚石浓度为75％。金刚石浓度采用400％浓度制，即金刚石浓度为100％时胎体中金刚石体积浓度为25％。
实施例2
原料：纯Cu粉45份，纯Co粉30份，纯Sn粉12份，纯Ti粉3份，纯Cr粉8份。
制备方法参照实施例1，不同之处在于，控制温度为680℃，压强为14.6MPa，保温时间为1.8min。
实施例3
原料：纯Cu粉55份，纯Co粉20份，纯Sn粉18份，纯Ti粉8份，纯Cr粉3份。
制备方法参照实施例1，不同之处在于，控制温度为700℃，压强为14.8MPa，保温时间为2.4min。
实施例4
原料：纯Cu粉48份，纯Co粉24份，纯Sn粉16份，纯Ti粉4份，纯Cr粉4份。
制备方法参照实施例1。
实施例5
原料：纯Cu粉52份，纯Co粉27份，纯Sn粉14份，纯Ti粉6份，纯Cr粉6份。
制备方法参照实施例1。
实施例6
参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Cu粉的含量分别为40份、45份、48份、50份、52份、55份和60份，其余组分含量不变。
制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表1。
表1Cu粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表1可知，胎体中铜粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的成型性。当铜粉含量低于45份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且胎体的成型性较差；当铜粉含量增加至45～55份时，胎体对金刚石的包镶能力增强，胎体的成型性也得到显著提升，尤其是铜粉含量为48～52份时，胎体对金刚石呈现出强的包镶能力，胎体也维持了较好的成型性；而当铜粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的成型性也变得较差。
实施例7
参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Co粉的含量分别为15份、20份、24份、25份、27份、30份和35份，其余组分含量不变。
制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表2。
表2Co粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表2可知，胎体中钴粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及制得的孕镶金刚石钻头的抗弯强度。当钴粉含量低于20份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且孕镶金刚石钻头的抗弯强度低；当钴粉含量增加至20～30份时，胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的抗弯强度均得到显著提升，尤其是钴粉含量为24～27份时，胎体对金刚石呈现出强的包镶能力，同时孕镶金刚石钻头的抗弯强度高；而当钴粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，孕镶金刚石钻头的抗弯强度也降至较低。
实施例8
参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Sn粉的含量分别为10份、12份、14份、15份、16份、18份和20份，其余组分含量不变。
制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表3。
表3Sn粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表3可知，胎体中锡粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的韧性。当锡粉含量低于12份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且孕镶金刚石钻头的韧性差；当锡粉含量增加至12～18份时，胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的韧性均得到显著提升，尤其是锡粉含量为14～16份时，胎体对金刚石呈现出强的包镶能力，同时孕镶金刚石钻头的韧性好；而当锡粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，且孕镶金刚石钻头的韧性也变得较差。
实施例9
参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Ti粉的含量分别为2份、3份、4份、5份、6份、8份和10份，其余组分含量不变。
制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表4。
表4Ti粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表4可知，胎体中钛粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的韧性。当钛粉含量为3～8份时，胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的韧性均得到显著提升，尤其是锡粉含量为4～6份时，胎体对金刚石的包镶能力强，同时孕镶金刚石钻头的韧性好。
实施例10
参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Cr粉的含量分别为2份、3份、4份、5份、6份、8份和10份，其余组分含量不变。
制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表5。
表5Cr粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表5可知，胎体中铬粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的韧性。当铬粉含量为3～8份时，胎体对金刚石的包镶能力以及孕镶金刚石钻头的韧性均得到显著提升，尤其是铬粉含量为4～6份时，胎体对金刚石的包镶能力强，同时孕镶金刚石钻头的韧性好。
实施例11
参照实施例1的制备方法，进行5组平行实验，其中，分别控制烧结温度为640℃、660℃、680℃、700℃和720℃，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表6。
表6烧结温度对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表6可知，当烧结温度低于660℃时，胎体的成型性差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当烧结温度升高至660～700℃时，胎体的成型性较好，制得的孕镶金刚石的工作寿命长；而当烧结温度继续升高时，胎体的成型性变的较差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。
实施例12
参照实施例1制备方法，进行5平行实验，其中，分别控制烧结压强为14.5MPa、14.6MPa、14.7MPa、14.8MPa和14.9MPa，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表7。
表7烧结压强对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表7可知，当烧结压强低于14.6MPa时，胎体的成型性较差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当烧结压强升高至14.6～14.8MPa时，胎体的成型性好，制得的孕镶金刚石的工作寿命也较长；而当烧结压强继续升高时，胎体的成型性变得较差，制得的孕镶金刚石的工作寿命开始缩短。
实施例13
参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制保温时间为1.6min、1.8min、2min、2.2min、2.4min和2.6min，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表8。
表8保温时间对孕镶金刚石钻头的性能影响
由表8可知，当保温时间低于1.8min时，胎体的成型性较差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当保温时间加长至1.8～2.4min时，胎体的成型性好，制得的孕镶金刚石的工作寿命长；而当保温时间继续加长时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。
Claims (7)
1.一种高性能孕镶金刚石钻头胎体，其特征在于，按重量份数包括如下原料：纯Cu粉45～55份，纯Co粉20～30份，纯Sn粉12～18份，纯Ti粉3～8份，纯Cr粉3～8份。
2.根据权利要求1所述的高性能孕镶金刚石钻头胎体，其特征在于，所述纯Cu粉为48～52份。
3.根据权利要求1所述的高性能孕镶金刚石钻头胎体，其特征在于，所述纯Co粉为24～27份。
4.根据权利要求1所述的高性能孕镶金刚石钻头胎体，其特征在于，所述纯Sn粉为14～16份。
5.根据权利要求1所述的高性能孕镶金刚石钻头胎体，其特征在于，所述纯Ti粉为4～6份。
6.根据权利要求1所述的高性能孕镶金刚石钻头胎体，其特征在于，所述纯Cr粉为4～6份。
7.一种包含权利要求1所述胎体的高性能孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按重量份数配制胎体，将浓度为75％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中热压烧结，当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体，其中，烧结温度为660～700℃，烧结压强为14.6～14.8MPa；
(2)将金刚石烧结体保温1.8～2.4min后，冷却至室温；
(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。
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