CN107269225A - 金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

一种金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺，由厚度为0.1～1.0mm的胎体工作层超薄片和隔离层超薄片复合成钻头钻齿；胎体工作层超薄片为金属粉末和碳化钨粉末，隔离层超薄片为石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉；工作层超薄片冷压成型采用放射状定位分布结构，按照设计的金刚石颗粒间距尺寸，将其埋植在胎体预定位置；装料过程中采用超声波或其他高频率振动平台振动分层布粉，保证其厚度均匀一致，经冷压成型得到超薄片压坯；组装超薄片压坯成钻齿，将钻齿和钻头钢体通过中频炉热压烧结成一体，经机械加工制成钻头。本发明制成超薄层复合钻头，钻进硬岩时工作效率高、寿命长、能耗低。

Description

金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺
技术领域
本发明主要属于机械加工领域，利用粉末冶金技术，采用金刚石定位分布，依靠超声波或其他高频率振动模式，尤其涉及金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺。
背景技术
常规金刚石钻头制作中，存在金属粉末和金刚石用量多的问题，浪费了材料，且胎体中得金刚石随机分布，导致金刚石不能完全发挥功效，在钻头工作时，存在钻进阻力大、耗能高且效率低等问题，从而限制了金刚石钻头的使用效果，特别是在硬岩中的使用效果，也阻碍了金刚石钻进技术的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头及其制备方法。
一种金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，由厚度为0.1～1.0mm的工作层超薄片和厚度为0.1～1.0mm隔离层超薄片复合成钻头的钻齿；工作层超薄片胎体采用金属粉末和金刚石为原料，隔离层超薄片采用石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉为原料；工作层超薄片中的金刚石颗粒采用放射状定位分布结构，埋植在胎体预定位置；超薄层复合钻头由多层钻齿和钻头钢体合成。
金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，工作层超薄片植入的金刚石颗粒呈放射状定位分布结构，即以钻头中心点为圆心，在胎体上作出若干切削线，过中心点沿径向作若干放射线，金刚石布置在切削线和放射线的交点上。切削线和放射线的数量由钻头大小及工作层金刚石浓度决定，一般为3～30条/mm2。
金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头的制作工艺，包括以下步骤：
第一步：模具和钢体准备
选用合金钢设计和加工冷压模具，其中钢压头是保证金刚石呈等距状定位分布结构，利用激光雕刻法或电火花法加工；选用体积密度大于1.85g/cm3，抗压强度大于45MPa的高强度高纯度高密度的石墨设计和加工烧结模具；选用45#钢加工好钻头钢体；
第二步：胎体粉末混合
根据钻头配方设计要求，称取质量合格的所需金属粉末、碳化钨粉末，加入体积分数为30％至80％的润湿剂混合均匀，得到混合均匀的工作层粉末混合料；
第三步：隔离层混料
根据钻头配方设计要求，准确称取质量合格的石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉、陶瓷粉等隔离层原料，加入体积分数为30％至80％的润湿剂混合均匀，得到混合均匀的隔离层粉末混合料；
第四步：振动布料装模
称取混合均匀的工作层粉料，装入放置在超声波或其他高频率振动平台上的冷压模具中，开动超声波或其他高频率振动平台振动0.5～10分钟，振动频率为800Hz至100000Hz，组装好钢压头后，移至压力机上加压成型得到胎体工作层超薄片压坯；称取混合均匀的隔离层粉料装入冷压模具中，开动超声波或其他高频率振动平台振动0.5～10分钟，振动频率为800Hz至100000Hz，然后移至压力机上加压成型得到隔离层超薄片压坯；
第五步：金刚石定位分布
使用钢压头冷压成型得到的工作层超薄片压坯，其留有满足金刚石呈放射状定位分布结构的放置坑，将工作层超薄片压坯从钢模取出，采用涂抹粘贴法将金刚石颗粒植入坑内，制得含金刚石颗粒的工作层超薄片压坯；
第六步：粉末冶金法制造
将植入金刚石颗粒的工作层超薄片压坯和隔离层超薄片压坯，按照工作层超薄片压坯—隔离层超薄片压坯—工作层超薄片压坯—隔离层超薄片压坯—……工作层超薄片压坯的顺序和规定数量组装，并配好钻头钢体，置于中频炉中，先通过加温加压，温度逐步提升至900℃至980℃，压力逐步加至25KN至40KN，然后降温至700℃至790℃，降压至15KN至25KN，进行保温保压2分钟至8分钟，完成热压制作流程；
第七步：冷却脱模
将置于中频炉的石墨模具组件，待烧结过程结束和冷却后从石墨模中取出得到金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头毛坯；
第八步：机械加工
将金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头毛坯，按照有关标准进行丝扣加工、水口水槽加工，即制成超薄层复合钻头。
步骤二所述的胎体粉末配方是钴粉、镍粉、铁粉、钛粉、铬粉、锰粉、铜粉、锡粉和碳化钨粉；其中：钴粉、镍粉、铁粉、锰粉、钛粉和铬粉各占总质量的2％～70％；铜粉和锡粉各占总质量的3％～50％；碳化钨粉占总质量的0％～50％；所用粉末粒径为0.075mm以下。
步骤三所述的隔离层粉料配方是石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉；其中石墨粉占总质量的5％～90％，粒径为0.1mm以下；碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉各占总质量的2％～50％，粒径为0.1mm以下。
步骤四中所述的振动布料装模，布料装模时将合金钢磨具放置在超声波或其他高频率振动平台上振动1～8分钟，振动频率为20000Hz至80000Hz，振动平台采用超声波或其他高频率振动源提供激振力。
步骤五中所述的金刚石放射状定位分布，使用的金刚石体积浓度为5％～50％，粒径为0.045～0.60mm。金刚石颗粒按放射状定位分布结构植于超薄工作层胎体中的预定位置，预定位置是利用激光雕刻法或电火花法加工冷压成型的钢压头，用钢压头表面的凹凸坑位置来确定预定位置，冷压成型的超薄工作层压坯中凹坑即为金刚石颗粒植入处，采用涂抹粘贴法将金刚石颗粒置于坑内。
本发明金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头的主要特点在于：使用超声波或其他高频率振动布粉手段利于粉料的均匀化；金刚石植入位置摈弃常规的随机分布形式，而执行放射状定位结构，充分发挥了金刚石的功效；钻头钻齿采用冷压成型工艺将若干厚度0.1～1.0mm的工作层超薄片和隔离层超薄片复合而成，和钢体组装后经粉末冶金技术制得钻头，钻头钻进硬岩时工作效率高、寿命长、能耗低。
附图说明
图1为本发明的金刚石放射状定位分布示意图。
具体实施方式
实施例1
金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，外径/内径为Φ76/49mm，钻头胎体工作层超薄片尺寸：长×高×厚＝22/12mm×12mm×0.3mm；隔离层超薄片尺寸：长×高×厚＝22/12mm×12mm×0.2mm，单只节块含27层工作层超薄片和26层隔离层超薄片，钻齿组成锯片节块尺寸为长×高×厚＝22/12mm×12mm×13.5mm。
工作层超薄片胎体金属配方质量比例：钴粉-60％、镍粉-5％、钛粉-2％、铬粉-3％、铜粉-20％、锡粉-5％，碳化钨粉-5％，粉末粒度均为325目(45微米)以细；金刚石体积浓度为15％，粒度为35/60目(425-250微米)。
隔离层超薄片粉末配方质量比例：石墨粉-70％、碳化硅粉-10％、氧化铝粉-10％、陶瓷粉-10％，粉末颗粒直径均为325目(45微米)以细。
其制作工艺流程为：
①合金钢模具、石墨模具、钻头钢体加工。
②工作层超薄片胎体粉末和金刚石混料；隔离层粉末混料，体积分数为55％的润湿剂。
③混合好的胎体粉末装入合金钢模具内，放置在超声波振动平台上振动1分钟，振动频率为30000Hz；将振动均匀后的合金钢模具移至压力机上加压，取出压坯，涂抹粘贴金刚石颗粒于呈放射状定位分布结构的相应坑内，得到工作层超薄片压坯备用，金刚石放射状定位分布如图1所示。
④混合好的隔离层粉末装入合金钢模具内，放置在振超声波振动平台上振动1分钟，振动频率为30000Hz；将振动均匀后的合金钢模具移至压力机上加压，得到并取出隔离层超薄片压坯备用。
⑤按照27片工作层超薄片压坯和26片隔离层超薄片压坯间隔交叉组装于石墨模具中，将装好压坯并配好钢体的石墨模具放入中频炉中加热加压烧结，温度加热至970℃，加压至35KN，然后进行保温保压工作，保温温度为790℃，保压压力为25KN，保温时间为5分钟，达到保温要求，随炉冷去后取出脱模。
⑥将烧结完成的钻头毛坯，在车床等设备上进行机械加工，加工好丝扣、水口、水槽等后，清洁包装处理待用。
实施例2
金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，外径/内径为Φ101.6/84mm，钻头胎体工作层超薄片尺寸：长×高×厚＝25/19.5mm×14mm×0.4mm；隔离层超薄片尺寸：长×高×厚＝29/19.5mm×14mm×0.3mm，单只节块含13层工作层超薄片和12层隔离层超薄片，钻齿组成锯片节块尺寸为长×高×厚＝25/19.5mm×14mm×8.5mm。
工作层超薄片胎体金属配方质量比例：钴粉-50％、镍粉-10％、锰粉-3％、铜粉-17％、锡粉-5％，碳化钨粉-15％，粉末粒度均为325目(45微米)以细；金刚石体积浓度为18％，粒度为30/50目(550-270微米)。
隔离层超薄片粉末配方质量比例：石墨粉-85％、碳化硅粉-5％、氧化铝粉-5％、陶瓷粉-5％，粉末颗粒直径均为325目(45微米)以细。
其制作工艺流程为：
①合金钢模具、石墨模具、钻头钢体加工。
②工作层超薄片胎体粉末混料；隔离层粉末混料。
③混合好的胎体粉末装入合金钢模具内，放置在超声波振动平台上振动0.5分钟，振动频率为25000Hz；将振动均匀后的合金钢模具移至压力机上加压，取出压坯，涂抹粘贴金刚石颗粒于呈放射状定位分布结构的相应坑内，得到工作层超薄片压坯备用。
④混合好的隔离层粉末装入合金钢模具内，放置在超声波振动平台上振动0.5分钟，振动频率为25000Hz；将振动均匀后的合金钢模具移至压力机上加压，得到并取出隔离层超薄片压坯备用。
⑤按照13片工作层超薄片压坯和12片隔离层超薄片压坯间隔交叉组装于石墨模具中，将装好压坯并配好钢体的石墨模具放入中频炉中加热加压烧结，温度加热至970℃，加压至35KN，然后进行保温保压工作，保温温度为790℃，保压压力为25KN，保温时间为3分钟，达到保温要求，随炉冷去后取出脱模。
⑥将烧结完成的钻头毛坯，在车床等设备上进行机械加工，加工好丝扣、水口、水槽等后，清洁包装处理后待用。

Claims (7)

1.金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：由厚度为0.1～1.0mm的工作层超薄片和厚度为0.1～1.0mm隔离层超薄片复合成钻头的钻齿；工作层超薄片胎体采用金属粉末和金刚石为原料，隔离层超薄片采用石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉为原料；工作层超薄片中的金刚石颗粒采用放射状定位分布结构，埋植在胎体预定位置；超薄层复合钻头由多层钻齿和钻头钢体合成。
2.根据权利要求1所述的金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，所述的工作层超薄片植入的金刚石颗粒呈放射状定位分布结构，即以钻头中心点为圆心，在胎体上作出若干切削线，过中心点沿径向作若干放射线，金刚石布置在切削线和放射线的交点上。
3.根据权利要求1所述的金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头的制作工艺，其特征在于：
第一步：模具和钢体准备
选用合金钢设计和加工冷压模具，其中钢压头是保证金刚石呈放射状定位分布结构，利用激光雕刻法或电火花法加工；选用体积密度大于1.85g/cm3，抗压强度大于45MPa的高强度高纯度高密度的石墨设计和加工烧结模具；选用45#钢加工好钻头钢体；
第二步：胎体粉末混合
称取质量合格的所需金属粉末、碳化钨粉末，加入体积分数为30％至80％的润湿剂混合均匀，得到混合均匀的工作层粉末混合料；
第三步：隔离层混料
准确称取质量合格的石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉、陶瓷粉等隔离层原料，加入体积分数为30％至80％的润湿剂混合均匀，得到混合均匀的隔离层粉末混合料；
第四步：振动布料装模
称取混合均匀的工作层粉料，装入放置在超声波或其他高频率振动平台上的冷压模具中，开动超声波或其他高频率振动平台振动0.5～10分钟，振动频率为800Hz至100000Hz，组装好钢压头后，移至压力机上加压成型得到胎体工作层超薄片压坯；称取混合均匀的隔离层粉料装入冷压模具中，开动超声波或其他高频率振动平台振动0.5～10分钟，振动频率为800Hz至100000Hz，然后移至压力机上加压成型得到隔离层超薄片压坯；
第五步：金刚石定位分布
使用钢压头冷压成型得到的工作层超薄片压坯，其留有满足金刚石呈放射状定位分布结构的放置坑，将工作层超薄片压坯从钢模取出，采用涂抹粘贴法将金刚石颗粒植入坑内，制得含金刚石颗粒的工作层超薄片压坯；
第六步：粉末冶金法制造
将植入金刚石颗粒的工作层超薄片压坯和隔离层超薄片压坯，按照工作层超薄片压坯—隔离层超薄片压坯—工作层超薄片压坯—隔离层超薄片压坯—……—工作层超薄片压坯的顺序组装，并配好钻头钢体，置于中频炉中，先通过加温加压，温度逐步提升至900℃至980℃，压力逐步加至25KN至40KN，然后降温至700℃至790℃，降压至15KN至25KN，进行保温保压2分钟至8分钟，完成热压制作流程；
第七步：冷却脱模
将置于中频炉的石墨模具组件，待烧结过程结束和冷却后从石墨模中取出得到金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头毛坯；
第八步：机械加工
将金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头毛坯，按照有关标准进行丝扣加工、水口水槽加工，即制成超薄层复合钻头。
4.根据权利要求3所述的金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤二所述的胎体粉末配方是钴粉、镍粉、铁粉、钛粉、铬粉、锰粉、铜粉、锡粉和碳化钨粉；其中：钴粉、镍粉、铁粉、锰粉、钛粉和铬粉各占总质量的2％～70％；铜粉和锡粉各占总质量的3％～50％；碳化钨粉占总质量的0％～50％；所用粉末粒径为0.075mm以下。
5.根据权利要求3所述的金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤三所述的隔离层粉料配方是石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉；其中石墨粉占总质量的5％～90％，粒径为0.1mm以下；碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉各占总质量的2％～50％，粒径为0.1mm以下。
6.根据权利要求3所述的金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤四中所述的振动布料装模，布料装模时将合金钢磨具放置在超声波或其他高频率振动平台上振动1～8分钟，振动频率为20000Hz至80000Hz，振动平台采用超声波或其他高频率振动源提供激振力。
7.根据权利要求3所述的金刚石放射状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤五中所述的金刚石放射状定位分布，使用的金刚石体积浓度为5％～50％，粒径为0.045～0.60mm，金刚石颗粒按放射状定位分布结构植于超薄工作层胎体中的预定位置，预定位置是利用激光雕刻法或电火花法加工冷压成型的钢压头，用钢压头表面的凹凸坑位置来确定预定位置，冷压成型的超薄工作层压坯中凹坑即为金刚石颗粒植入处，采用涂抹粘贴法将金刚石颗粒置于坑内。
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