CN105773852A - 一种孕镶金刚石钻头及其制备方法 - Google Patents

一种孕镶金刚石钻头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种孕镶金刚石钻头及其制备方法，该孕镶金刚石钻头包括钻头工作端、位于钻头工作端尾部的机床接口以及位于钻头工作端头部的水口，该钻头工作端的工作层高度为5.6～6.4mm，壁厚为1.8～2.2mm。通过控制孕镶金刚石钻头的工作层高度和壁厚，一方面在保证钻头加工的稳定性的同时延长其工作寿命，另一方面提高了钻头切削去除材料的效率。该孕镶金刚石钻头的制备方法包括：制备放置胎体的模具；配制相应的胎体材料，加入金刚石，得到混合料；烧结混合料、接近塑性状态时加压成型，得到金刚石烧结体，保温1.8‑2.4min后冷却至室温，其中，烧结温度为640～840℃，烧结压强为14.5～14.9MPa；将制得的金刚石烧结体固定在金属基体上，得到孕镶金刚石钻头。

Description

一种孕镶金刚石钻头及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钻头及其制备方法，特别涉及一种孕镶金刚石钻头及其制备方法。
背景技术
金刚石钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击等优点，同时其工作速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、加工质量好，还可以重复利用，能够大量节约加工成本。目前，金刚石钻头主要分为孕镶金刚石钻头、钎焊金刚石钻头、电镀金刚石钻头三种类型；其中，钎焊金刚石钻头在加工高硬度材料时磨损严重，工作寿命短；电镀金刚石钻头加工效率高，但制备成本也较高；而孕镶金刚石钻头不仅加工质量好、制作成本低，而且能够降低加工材料的成本。
孕镶金刚石钻头的结构设计与制作工艺影响着钻头的加工性能。其中，结构设计的关键因素主要包括工作层高度、壁厚以及水口数，工作层高度影响钻头加工时的稳定性和工作寿命，壁厚影响钻头切削去除材料的效率，水口数影响加工时能否及时散热及排屑；同样的，孕镶金刚石钻头制作方法也会影响钻头胎体的烧结成型性以及钻头的工作寿命。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种加工稳定性强、工作寿命长的孕镶金刚石钻头，本发明的第二目的在于提供该孕镶金刚石钻头的制备方法。
技术方案：本发明所述的孕镶金刚石钻头，包括钻头工作端、位于钻头工作端尾部的机床接口以及位于钻头工作端头部的水口，该钻头工作端的工作层高度为5.6～6.4mm，壁厚为1.8～2.2mm。
通过控制孕镶金刚石钻头的工作层高度，保证钻头加工的稳定性的同时有效延长其工作寿命；通过控制壁厚，可保证钻头钻削表面在获得一定压强的条件下提高切削去除材料的效率。
较优的，水口为3个，间隔分布于钻头工作端头部。将水口数设计为3个，在保证钻头稳定性的情况下是钻头兼具良好的散热排屑性能。
本发明所述的孕镶金刚石钻头的制备方法，包括如下步骤：
(1)根据待制备的孕镶金刚石钻头的工作层高度和壁厚，制备放置胎体的模具；
(2)根据加工对象配制胎体材料，并在其中加入金刚石，得到混合料；
(3)将混合料装入模具中烧结，当混合料烧结接近塑性状态时加压成型，得到金刚石烧结体，保温1.8-2.4min后冷却至室温，其中，烧结温度为640～840℃，烧结压强为14.5～14.9MPa；
(4)将制得的金刚石烧结体固定在金属基体上，得到孕镶金刚石钻头。
将烧结温度设置为640～840℃，可以使胎体材料粉末很好地熔合并合金化，确保形成的胎体对金刚石良好的浸润及包镶能力，同时具备合适的耐磨性，而且，较低的烧结温度可以减少高温对金刚石质量的损害；将烧结压强设置为14.5-14.9MPa，可以保证钻头的胎体尺寸压到位，不会因为过大的压力使胎体材料流失，导致胎体尺寸过小；另外，将保温时间设置为1.8-2.4min，有助于胎体合金化程度的提高，同时不会因为保温时间过长损害金刚石质量。
具体的，当加工对象为石材时，步骤(3)中，控制烧结温度为740～840℃，烧结压强为14.5～14.8MPa，保温时间为1.8～2.4min。
当加工对象为陶瓷时，步骤(3)中，控制烧结温度为640～740℃，烧结压强为14.6～14.9MPa，保温时间为1.8～2.4min。
上述步骤(1)中，模具为石墨模具。
上述步骤(4)中，将制得的金刚石烧结体经钎焊固定在金属基体上。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明将孕镶金刚石钻头的工作层高度设计为5.6-6.4mm，既保证了钻头加工时的稳定性，又延长了其工作寿命；壁厚设计为1.8-2.2mm，保证了钻头钻削表面在获得一定压强的条件下能够提高其切削去除材料的效率；水口数设计为3个，可增加冷却液的流动性，更好的降低切削区温度，也可有效带走磨屑，避免堵塞容屑空间；(2)本发明合理控制孕镶金刚石钻头的制备工艺，针对不同类型的加工对象，控制烧结温度、烧结压强以及保温时间，使得胎体的成型性好，且制得孕镶金刚石的工作寿命长。
附图说明
图1为孕镶金刚石钻头的结构示意图；
图2为实施例1制得的孕镶金刚石的钻头胎体的断面图；
图3为实施例1制得的孕镶金刚石钻头胎体的磨损形貌图；
图4为实施例8制得的孕镶金刚石的钻头胎体的断面图；
图5为实施例8制得的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。
如图1，本发明的孕镶金刚石钻头，包括钻头工作端1、机床接口2和水口3。以靠近加工对象的一侧为钻头工作端1头部，远离加工对象的一侧为钻头工作端1尾部，机床接口2位于钻头工作端1尾部，水口3位于钻头工作端1头部；该钻头工作端1的工作层高度为5.6～6.4mm，既保证了钻头加工时的稳定性，又延长了其工作寿命；壁厚为1.8～2.2mm，使钻头钻削表面在获得一定压强的同时，具有较高的切削去除材料的效率。
水口3可为3个，间隔分布于钻头工作端头部。水口数设计为3个，可增加冷却液的流动性，更好的降低切削区温度，也可有效带走磨屑，避免堵塞容屑空间。
实施例1
加工对象：大理石
工作层高度和壁厚：工作层高度5.6mm，壁厚2.2mm，水口数3个；
胎体配方(按重量份计)：纯Fe粉42份，纯Cu粉36份，纯Zn粉7份，纯Sn粉8份，纯Co粉3份，纯Ni粉3份，稀土元素La、Ce共1份。
制备方法：
(1)根据待制备的孕镶金刚石钻头的工作层高度和壁厚，制备放置胎体的石墨模具；
(2)称取纯Fe粉42份，纯Cu粉36份，纯Zn粉7份，纯Sn粉8份，纯Co粉3份，纯Ni粉3份，稀土元素La、Ce共1份，配制胎体材料；将型号为SMD40、粒度为35/40目、浓度为50％的金刚石与胎体材料混合、装入步骤(1)制备的石墨模具中烧结，控制烧结温度为780℃，当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结压强为14.5MPa，得到金刚石烧结体，保温1.8min，然后冷却至室温；
(3)将烧结形成的金刚石烧结体钎焊固定在经表面处理后的钢基体上。
此处“浓度为50％的金刚石”是指金刚石浓度为50％。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％。
如图2，从钻头胎体的断面图可以看出，胎体断面显示出韧窝状断口，表明胎体具有较强的塑性，钻头胎体的耐磨性较强，对金刚石磨粒的包镶能力强；如图3，从钻头胎体的磨损形貌图可以看出，金刚石磨粒的出露高度较低，不少磨粒出现了磨平磨钝的现象，说明胎体对金刚石磨粒的包镶能力较强，也间接说明了钻头的工作寿命较长，节约了加工成本。
实施例2
参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结温度为720℃、740℃、780℃、820℃、840℃、860℃，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表1。
表1烧结温度对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表1可知，当烧结温度低于740℃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；当烧结温度升高至740～840℃时，胎体的成型性得到显著提升，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，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。
实施例3
参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结压强为14.4MPa、14.5MPa、14.6MPa、14.7MPa、14.8MPa、14.9MPa，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表2。
表2烧结压强对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表2可知，当烧结压强低于14.5MPa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；当烧结压强升高至14.5～14.8MPa时，胎体的成型性得到显著提升，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，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命开始缩短。
实施例4
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、2.6min，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表3。
表3保温时间对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表3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，胎体的成型性较好，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。
实施例5
参考实施例1的制备方法，进行7组平行试验，其中，分别控制工作层高度为5.0mm、5.4mm、5.6mm、6.0mm、6.4mm、6.6mm、6.8mm，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表4。
表4工作层高度对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表4可知，当工作层高度低于5.6mm时，加工稳定性较好，但工作寿命较短，当工作层高度在5.6-6.4mm时，稳定性好的同时工作寿命长得到显著提升，可达2800mm以上；当工作层高度继续增加时，虽然工作寿命较长，但孕镶金刚石钻头的稳定性变差。
实施例6
参考实施例1的制备方法，进行7组平行试验，其中，分别控制壁厚为1.5mm、1.7mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.3mm、2.5mm，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表5。
表5壁厚对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表5可知，当壁厚低于1.8mm时，钻头的工作效率高，但稳定性差，且工作寿命短；当壁厚增大至1.8-2.2mm时，钻头的工作效率虽然略有降低，但仍然维持在较高的水平，而且其稳定性显著提升、工作寿命也延长至2800mm以上；当壁厚继续增大，钻头的稳定性和工作寿命仍有微弱增长，但其工作效率急速降低。
实施例7
参考实施例1的制备方法，进行5组平行试验，其中，分别控制水口数为1个、2个、3个、4个、5个，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表6。
表6水口数对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表6可知，当水口数少于3个时，钻头的工作效率高，且稳定性好，但钻头的散热排屑性能差；当水口数为3个时，钻头的工作效率和稳定性维持在较好的水平，且其散热排屑性能好；当水口数继续增加，虽然散热排屑性能好，但钻头的稳定性变差，工作效率大幅下降。
实施例8
加工对象：碳化硅陶瓷
工作层高度和壁厚：工作层高度6.4mm，壁厚1.8mm，水口数3个；
胎体配方(按重量份计)：纯Cu粉44份，纯Zn粉46份，纯Mn粉4份，纯Fe粉2份，纯Ni粉4份
制备方法：
(1)根据待制备的孕镶金刚石钻头的工作层高度和壁厚，制备放置胎体的石墨模具；
(2)称取纯Cu粉44份，纯Zn粉46份，纯Mn粉4份，纯Fe粉2份，纯Ni粉4份，配制胎体材料；将型号为SMD35、粒度为70/80目、浓度为75％的金刚石与胎体材料混合、装入步骤(1)制备的石墨模具中烧结，控制烧结温度为660℃，当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结压强为14.8MPa，得到金刚石烧结体，保温2.4min，然后冷却至室温；
(3)将烧结而成的的金刚石烧结体钎焊固定在经表面处理后的钢基体上。
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％。
如图4，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5，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。
实施例9
参照实施例8的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结温度为620℃、640℃、660℃、700℃、740℃、760℃，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表7。
表7烧结温度对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表7可知，当烧结温度低于640℃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640～740℃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10
参照实施例8的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结压强为14.5MPa、14.6MPa、14.7MPa、14.8MPa、14.9MPa、15.0MPa，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表8。
表8烧结压强对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表8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14.6～14.9MPa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，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命开始缩短。
实施例11
参照实施例8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、2.6min，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表9。
表9保温时间对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表9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。
实施例12
参考实施例8的制备方法，进行7组平行试验，其中，分别控制工作层高度为5.0mm、5.4mm、5.6mm、6.0mm、6.4mm、6.6mm、6.8mm，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表10。
表10工作层高度对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表10可知，当工作层高度低于5.6mm时，加工稳定性较好，但工作寿命较短，当工作层高度在5.6-6.4mm时，稳定性好的同时工作寿命长得到显著提升，可达2200mm；当工作层高度继续增加时，虽然工作寿命较长，但孕镶金刚石钻头的稳定性变差。
实施例13
参考实施例8的制备方法，进行7组平行试验，其中，分别控制壁厚为1.5mm、1.7mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.3mm、2.5mm，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表11。
表11壁厚对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表11可知，当壁厚低于1.8mm时，钻头的工作效率高，但稳定性差，且工作寿命短；当壁厚增大至1.8-2.2mm时，钻头的工作效率虽然略有降低，但仍然维持在较高的水平，而且其稳定性显著提升、工作寿命也延长至2200mm以上；当壁厚继续增大，钻头的稳定性和工作寿命仍有微弱增长，但其工作效率急速降低。
实施例14
参考实施例8的制备方法，进行5组平行试验，其中，分别控制水口数为1个、2个、3个、4个、5个，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表12。
表12水口数对孕镶金刚石钻头性能的影响
由表12可知，当水口数少于3个时，钻头的工作效率高，且稳定性好，但钻头的散热排屑性能差；当水口数增加为3个时，钻头的工作效率和稳定性维持在较好的水平，且其散热排屑性能好；当水口数继续增加，虽然散热排屑性能好，但钻头的稳定性变差，工作效率大幅下降。

Claims (7)

1.一种孕镶金刚石钻头，包括钻头工作端(1)、位于钻头工作端(1)尾部的机床接口(2)以及位于钻头工作端(1)头部的水口(3)，其特征在于，该钻头工作端(1)的工作层高度为5.6～6.4mm，壁厚为1.8～2.2mm。
2.根据权利要求1所述的孕镶金刚石钻头，其特征在于，所述水口(3)为3个，间隔分布于钻头工作端(1)头部。
3.一种权利要求1所述的孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据待制备的孕镶金刚石钻头的工作层高度和壁厚，制备放置胎体的模具；
(2)根据加工对象配制胎体材料，并在其中加入金刚石，得到混合料；
(3)将混合料装入模具中烧结，当混合料烧结接近塑性状态时加压成型，得到金刚石烧结体，保温1.8-2.4min后冷却至室温，其中，烧结温度为640～840℃，烧结压强为14.5～14.9MPa；
(4)将制得的金刚石烧结体固定在金属基体上，得到孕镶金刚石钻头。
4.根据权利要求3所述的孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，当加工对象为石材时，步骤(3)中，控制烧结温度为740～840℃，烧结压强为14.5～14.8MPa，保温时间为1.8～2.4min。
5.根据权利要求3所述的孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，当加工对象为陶瓷时，步骤(3)中，控制烧结温度为640～740℃，烧结压强为14.6～14.9MPa，保温时间为1.8～2.4min。
6.根据权利要求3所述的孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述模具为石墨模具。
7.根据权利要求3所述的孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，将制得的金刚石烧结体经钎焊固定在金属基体上。
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