CN108504955B - 一种用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头及其制备方法，该烧结金刚石钻头胎体包括Fe粉，Cu粉，Ni粉，Sn粉，Ti粉；采用该胎体制备的烧结金刚石钻头，其工作层高度为4.2～4.5mm，壁厚为3.5～3.8mm，直径为26～29mm，水口数为4，形状为矩形，金刚石粒度为80/100～100/120，金刚石磨粒浓度为83～89％；该金刚石钻头的制法为选用基体并配制胎体，将胎体与金刚石磨粒混合，烧结制成金刚石烧结体，并将其固定于基体上即可。优点为：制备的胎体对金刚石磨粒的包镶能力较强，降低了孔出口的崩豁程度；采用的钻头结构参数也有效降低了孔出口的崩豁程度。

Description

一种用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种用于加工氧化铝陶瓷的钻头及其制备方法，特别涉及一种高质量烧结金刚石钻头胎体与结构及钻头的制备方法技术，属于机械加工制造技术领域。

背景技术

氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大、绝缘电阻大、高频介电损耗小、耐腐蚀及耐高温等一系列优良性能，又由于它的原料来源广、价格相对便宜，因此被广泛地应用于电子、电器、机械、纺织和航空航天等领域。氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷中应用最广、用途最宽、产量最大的陶瓷材料。在氧化铝陶瓷的传统加工中，孔加工最为常见，然而在孔加工过程中，孔入口质量较好，往往会在孔出口发生崩豁现象(以孔出口的崩豁比k与崩豁深度H为孔出口质量评价指标，崩豁比k为扩口圆直径D与原始孔直径d的比值，崩豁比越小且崩豁深度越短，孔出口加工质量越好，崩豁比与崩豁深度示意图分别如图1、图2所示)，严重影响孔的加工质量。烧结金刚石钻头由于制备技术较成熟，制作成本较低，得到了广泛的应用，因此，研究使用合理胎体配方与结构的烧结金刚石钻头加工氧化铝陶瓷获得较好孔加工质量具有十分重要的意义。

发明内容

技术问题：针对上述技术方法在氧化铝陶瓷孔加工过程中出现的孔出口崩豁现象，本发明一方面提供了一种能够改善氧化铝陶瓷孔加工质量的高质量烧结金刚石钻头胎体及结构，另一方面提供了一种包含该胎体及结构的高质量烧结金刚石钻头的制备方法。

技术方案：本发明的一种用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头，其特征在于：该烧结金刚石钻头包括基体和与基体连接为一体的金刚石烧结体，在金刚石烧结体上设有水口，所述的金刚石烧结体由烧结金刚石钻头胎体与金刚石磨粒按体积比0.2075至0.2225混合而成。

所述的烧结金刚石钻头胎体按重量份数计算包括：

纯Fe粉56～62份，

纯Cu粉16～21份，

纯Ni粉12～16份，

纯Sn粉4～8份，

纯Ti粉2～6份。

该烧结金刚石钻头胎体按重量份数计算优选为：

纯Fe粉58～60份，

纯Cu粉18～20份，

纯Ni粉13～15份，

纯Sn粉5～7份，

纯Ti粉3～5份。

所述烧结金刚石钻头的工作层高度为4.2～4.5mm，壁厚为3.5～3.8mm，直径为26～29mm，水口数为4，形状为矩形，金刚石磨粒的粒度为80/100～100/120，金刚石磨粒浓度为83～89％。

本发明的用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头的制备方法包括如下步骤：

1)选用基体并根据待制备的烧结金刚石钻头的工作层高度、壁厚、直径及水口，制备放置烧结金刚石钻头胎体的模具；

2)配制烧结金刚石钻头胎体，并将其与金刚石磨粒混合，置于上述模具中，在烧结温度为850～870℃、压强为15.0～15.3MPa条件下制成金刚石烧结体；

3)将上述金刚石烧结体保温3.3～3.6min，冷却至室温后，将其固定于基体上，即可制得高质量烧结金刚石钻头。

其中，

步骤2)中，所述烧结温度优选为856～864℃。

步骤2)中，所述烧结压强优选为15.1～15.2MPa。

步骤3)中，所述将金刚石烧结体保温时间优选为3.4～3.5min。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：首先，Fe、Cu及Ni为主要原料，添加少量的Sn、Ti金属粉末进行合金化制备的胎体，其烧结性能好，耐磨性强，对于硬度很高的氧化铝陶瓷材料，胎体能够稳定地磨削氧化铝陶瓷材料，降低了孔出口的崩豁现象(以孔出口的崩豁比k与崩豁深度H为孔出口质量评价指标，崩豁比k为扩口圆直径D与原始孔直径d的比值，崩豁比越小且崩豁深度越短，孔出口加工质量越好)，胎体对金刚石磨粒的包镶能力较强，在磨损的金刚石磨粒脱落过程中不会使钻头产生较大振动，降低了孔出口的崩豁程度；其次，对于烧结参数的设计，采用高烧结温度与长保温时间，使胎体各成分能够更好地熔合合金化至成型，降低了胎体磨损时对钻头加工稳定性的干扰，从而改善了孔出口加工质量。最后，对钻头的结构参数进行了合理的参数设定，较低的工作层高度与较大的工作层接触面积，在保证了孔加工的稳定性基础上，钻头工作层接触面的应力较小，降低了钻头在钻出孔出口时对孔口材料的拉伸作用，有效降低了孔出口的崩豁程度，尤其大幅度降低了崩豁深度。

附图说明

图1为烧结金刚石钻头加工氧化铝陶瓷后孔出口的崩豁比示意图。

图2为烧结金刚石钻头加工氧化铝陶瓷后孔出口的崩豁深度示意图。

图3为本发明制备的高质量烧结金刚石钻头的结构示意图。

具体实施方式

本发明制备的高性能烧结金刚石钻头胎体按重量份数包括如下原料：纯Fe粉56～62份，纯Cu粉16～21份，纯Ni粉12～16份，纯Sn粉4～8份，纯Ti粉2～6份。

本发明以Fe、Cu及Ni为主要原料，添加少量的Sn、Ti金属粉末进行合金化制备的胎体，其对金刚石磨粒的包镶能力较强，耐磨性较好，能够适应较强载荷的冲击，孔出口的崩豁现象较小，优选的，纯Fe粉58～60份，纯Cu粉18～20份，纯Ni粉13～15份，纯Sn粉5～7份，纯Ti粉3～5份。

本发明制备的钻头，其包括由基体和金刚石烧结体组合而成，并在金刚石烧结体上设有水口，同时该金刚石烧结体由胎体组成成分与金刚石磨粒混合烧结而成，其中，钻头的工作层高度为4.2～4.5mm，壁厚为3.5～3.8mm，直径为26～29mm，水口数为4，形状为矩形，水口数较多易导致工作层稳定性下降，较少则不利于排除细屑及冷却液的流入，散热效果差，金刚石粒度为80/100～100/120，金刚石磨粒浓度为83～89％，合理的钻头结构参数保证了氧化铝陶瓷孔加工出口的质量。

此处金刚石的粒度大小为行业内通用的型号表示方法，其对应大小见下表所示，因此粒度为80/100～100/120也可以表示为150/180μm～125/150μm。金刚石磨粒浓度采用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％。

本发明制备高质量烧结金刚石钻头的方法包括如下步骤：

(1)选用基体并根据待制备的高质量烧结金刚石钻头的工作层高度、壁厚、直径及水口，制备放置胎体的模具；

(2)根据胎体的组成成分配制胎体，并将其与金刚石磨粒混合，置于上述模具中，在烧结温度为850～870℃、压强为15.0～15.3MPa条件下制成金刚石烧结体；

(3)将上述金刚石烧结体保温3.3～3.6min，冷却至室温后，将其固定于基体上，即可制得高性能烧结金刚石钻头。

本发明通过控制烧结温度、烧结压强及保温时间，增强了胎体各成分的熔合，提高了胎体的烧结性能，优选的，烧结温度为856～864℃，烧结压强为15.1～15.2MPa，保温时间为3.4～3.5min。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明采用铁为主要原料，铁与金刚石磨粒有较好的润湿性，高温下能与金刚石磨粒生成碳化物，可以增强胎体对金刚石磨粒的包镶能力；此外，铜对碳化物及骨架材料具有很好的相容性，有助于增强胎体的成型性和烧结性；镍可以使钻头具有一定的抗载荷冲击性，也增强了胎体的耐磨性与韧性，并减少胎体中锡的烧结流失；锡可以增强结合剂的烧结性，在铁基胎体中可以生成金属间化合物及复式碳化物，改善铁基胎体的耐磨性与成型性；钛可以改善胎体与金刚石磨粒的粘结强度，提高胎体的耐磨性。合理的烧结温度、烧结压强及保温时间保证了胎体具有较好的成型性，降低了胎体磨损时对钻头加工稳定性的干扰，从而改善了孔出口加工质量。合理的钻头结构参数在保证钻头稳定加工氧化铝陶瓷的基础上，使钻头工作层接触面所受的应力较小，降低了钻头在钻出孔出口时对孔口材料的拉伸作用，有效降低了孔出口的崩豁程度，尤其大幅度降低了崩豁深度。

本发明采用的上述原料均可从市场上购买得到。本发明金刚石浓度采用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1

胎体原料为：纯Fe粉56份，纯Cu粉16份，纯Ni粉16份，纯Sn粉8份，纯Ti粉4份。

如图3所示，本发明制备的高质量烧结金刚石钻头，由基体1和金刚石烧结体2组合而成，并在金刚石烧结体2上设有水口3，同时该金刚石烧结体2由烧结金刚石钻头胎体及金刚石磨粒混合烧结而成，其中，钻头的工作层高度为4.2mm，壁厚为3.5mm，钻头直径为26mm，水口数为4，金刚石粒度为80/100，金刚石磨粒浓度为83％。

烧结金刚石钻头制备方法包括：首先选择合适的金属基体，加工成所需的形状大小，并根据待制备的烧结金刚石钻头的工作层高度、壁厚、直径及水口，制备放置胎体的模具；其次，根据胎体的组成成分配制胎体，并将其与金刚石磨粒混合后装入石墨模具中，在烧结温度为850℃、压强为15.0MPa条件下进行热压烧结成型，并将金刚石烧结体进行保温3.3min，待冷却至室温后得到金刚石烧结体；最后，将金刚石烧结体钎焊固定在金属基体上得到所需的烧结金刚石钻头。

本实施例制备的烧结金刚石钻头，胎体对金刚石磨粒具有较好的润湿性，对金刚石磨粒的包镶能力较强，使得磨损的金刚石磨粒脱落过程中不会产生较大波动，降低了孔出口的崩豁程度，钻头结构较合理，增加了钻头加工过程中的稳定性。

实施例2

胎体原料为：纯Fe粉62份，纯Cu粉16份，纯Ni粉12份，纯Sn粉4份，纯Ti粉6份。

烧结金刚石钻头的结构参数为：钻头的工作层高度为4.5mm，壁厚为3.8mm，钻头直径为29mm，水口数为4，金刚石粒度为100/120，金刚石浓度为89％。

烧结金刚石钻头制备方法包括：首先选择合适的金属基体，加工成所需的形状大小，并根据待制备的烧结金刚石钻头的工作层高度、壁厚、直径及水口，制备放置胎体的模具；其次，根据胎体的组成成分配制胎体，并将其与金刚石磨粒混合后装入石墨模具中，在烧结温度为870℃、压强为15.3MPa条件下进行热压烧结成型，并将金刚石烧结体进行保温3.6min，待冷却至室温后得到金刚石烧结体；最后，将金刚石烧结体钎焊固定在金属基体上得到所需的烧结金刚石钻头。

本实施例制备的烧结金刚石钻头，耐磨性较强，胎体能够稳定地磨削氧化铝陶瓷材料，降低了孔出口的崩豁现象，较大的钻头工作面积使得钻头对孔出口材料具有较小的拉伸作用，降低了孔出口的崩豁现象，尤其降低了崩豁深度。

实施例3

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于胎体的原料组分，分别为：

1、纯Fe粉55份，纯Cu粉15份，纯Ni粉17份，纯Sn粉8份，纯Ti粉5份。

2、纯Fe粉57份，纯Cu粉17份，纯Ni粉16份，纯Sn粉4份，纯Ti粉6份。

3、纯Fe粉58份，纯Cu粉18份，纯Ni粉14份，纯Sn粉5份，纯Ti粉5份。

4、纯Fe粉59份，纯Cu粉19份，纯Ni粉13份，纯Sn粉5份，纯Ti粉4份。

5、纯Fe粉61份，纯Cu粉18份，纯Ni粉14份，纯Sn粉5份，纯Ti粉3份。

6、纯Fe粉63份，纯Cu粉22份，纯Ni粉10份，纯Sn粉3份，纯Ti粉2份。

将上述分别制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表1所示。

表1钻头性能对照表

由表1可知，胎体原料组成成分的含量比例不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的胎体原料组分，即第2～5组，制得的烧结金刚石钻头的耐磨性强，胎体能够稳定地磨削氧化铝陶瓷材料，降低孔出口的崩豁比；胎体对金刚石磨粒的包镶能力强，在磨损的金刚石磨粒脱落过程中不会使钻头产生较大振动，降低了孔出口崩豁比及崩豁深度，其中以第3～4组为胎体原料组成成分制得的钻头的综合性能最佳。这是由于胎体成分间相互作用及对金刚石磨粒的作用随着胎体成分含量的变化而发生了改变。

实施例4

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于钻头的工作层高度，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表2所示。

表2钻头性能对照表

由表2可知，钻头的工作层高度不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的工作层高度，即4.2～4.5mm，制得的烧结金刚石钻头在孔加工过程中的稳定性好，降低了崩豁比及崩豁深度，其中以工作层高度为4.3～4.4mm制得的钻头的综合性能最佳。这是由于工作层高度较低时，水口体积占据钻头体积较大，钻头稳定性缺陷增大，孔出口的崩豁比及崩豁深度相应增大；工作层高度较高时，钻头的加工稳定性将会降低，大幅度增大了崩豁比，小幅度降低了崩豁深度。

实施例5

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于钻头的壁厚，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表3所示。

表3钻头性能对照表

由表3可知，钻头的壁厚不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的壁厚，即3.5～3.8mm，制得的烧结金刚石钻头的稳定性好，崩豁比及崩豁深度小，其中以壁厚为3.6～3.7mm制得的钻头的综合性能最佳。这是由于钻头壁厚较小时，其稳定性较差，崩豁比大幅度增大，崩豁深度小幅度增大；但当钻头壁厚较大时，其工作层接触面积虽然较大，有效降低了钻头对孔出口附近材料的拉伸，但其稳定性大大降低，还是大幅度增大了崩豁比，小幅度增大了崩豁深度。

实施例6

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于钻头直径，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表4所示。

表4钻头性能对照表

由表4可知，钻头直径不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的钻头直径，即26～29mm，制得的烧结金刚石钻头的稳定性好，崩豁比小，崩豁深度短，其中以钻头直径为27～28mm制得的钻头的综合性能最佳。这是由于钻头直径较小时，其稳定性较差，崩豁比大幅度增大，崩豁深度小幅度增大；钻头直径较大时会造成金刚石磨粒的切削载荷变小，导致金刚石磨粒难以进行有效磨削，使钻头在加工过程中产生振动，稳定性降低，大幅度增大了崩豁比，小幅度增大了崩豁深度。

实施例7

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于金刚石磨粒的浓度，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表5所示。

表5钻头性能对照表

由表5可知，金刚石浓度不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的金刚石浓度，即83％～89％，制得的烧结金刚石钻头的加工效率高，崩豁比小，崩豁深度短，其中以金刚石浓度为85％～87％制得的钻头的综合性能最佳。这是由于较低的金刚石浓度，钻头工作时参与工作的金刚石颗粒较少，加工效率较低，导致崩豁比小幅度增大，崩豁深度大幅度增大；而当金刚石浓度较高时，虽然参与工作的金刚石颗粒较多，单位金刚石磨粒所受磨削载荷较小，导致金刚石磨粒不能正常磨削氧化铝陶瓷坚硬材料，大幅度增大崩豁比及崩豁深度。

实施例8

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于烧结的温度，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表6所示。

表6钻头性能对照表

由表6可知，烧结温度不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的烧结温度，即850～870℃，制得的烧结金刚石钻头的成型性好，崩豁比小，崩豁深度短，其中，以烧结温度为856～864℃制得的钻头的综合性能最佳。这是由于烧结温度较低时，胎体的成型性得不到保证，增大了孔出口的崩豁比及崩豁深度；而当烧结温度过高时，容易使金刚石的磨削性能降低，崩豁比大幅度增大，崩豁深度小幅度增大。

实施例9

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于烧结的压强，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表7所示。

表7钻头性能对照表

由表7可知，烧结压强不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的烧结压强，即15.0～15.3MPa，制得的烧结金刚石钻头的成型性强，崩豁比小，崩豁深度短，其中，以烧结压强为15.1～15.2MPa制得的钻头的综合性能最佳。这是由于压强较小则会影响钻头的成型性，胎体材料与金刚石磨粒没有完全压实，大幅度增大崩豁比，小幅度增大崩豁深度；压强较大容易造成磨损后的金刚石磨粒难以及时脱落，大幅度增大崩豁比，小幅度增大崩豁深度。

实施例10

设计6组平行实验，基本步骤与实施例1相同，不同之处仅在于保温的时间，分别将上述制得的钻头进行性能检测，获得的实验结果如表8所示。

表8钻头性能对照表

由表8可知，保温时间不同，制得的钻头的性能也不同。采用本发明设定的保温时间为3.3～3.6min，制得的烧结金刚石钻头的成型性好，崩豁比小，崩豁深度短，其中，以保温时间为3.4～3.5min制得的钻头的综合性能最佳。这是由于过短的保温时间不利于胎体的成型性，大幅度增大了孔出口的崩豁比及崩豁深度；但过长的保温时间以容易对金刚石磨粒造成热损伤，影响其磨削性能，成型性也较差，造成孔出口的崩豁比大幅度增大，崩豁深度小幅度增大。

Claims (4)

1.一种用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头的制备方法，其特征在于该烧结金刚石钻头包括基体（1）和与基体（1）连接为一体的金刚石烧结体（2），在金刚石烧结体（2）上设有水口（3），所述的金刚石烧结体（2）由金刚石磨粒与烧结金刚石钻头胎体按体积比0.2075至0.2225混合而成，即金刚石磨粒浓度为83~89%；

所述的烧结金刚石钻头胎体按重量份数计算包括：

纯Fe粉56~62份，

纯Cu粉16~21份，

纯Ni粉12~16份，

纯Sn粉4~8份，

纯Ti粉2~6份；

所述烧结金刚石钻头的工作层高度为4.2~4.5mm，壁厚为3.5~3.8mm，直径为26~29mm，水口数为4，形状为矩形，金刚石磨粒的粒度为80/100~100/120，金刚石磨粒浓度为83~89%；

该制备方法包括如下步骤：

1）选用基体（1）并根据待制备的烧结金刚石钻头的工作层高度、壁厚、直径及水口，制备放置烧结金刚石钻头胎体的模具；

2）配制烧结金刚石钻头胎体，并将其与金刚石磨粒混合，置于上述模具中，在烧结温度为850~870℃、压强为15.0~15.3MPa条件下制成金刚石烧结体；

3）将上述金刚石烧结体保温3.3~3.6min，冷却至室温后，将其固定于基体（1）上，即可制得高质量烧结金刚石钻头。

2.根据权利要求1所述的用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述烧结温度优选为856~864℃。

3.根据权利要求1所述的用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述烧结压强优选为15.1~15.2MPa。

4.根据权利要求1所述的用于加工氧化铝陶瓷的高质量烧结金刚石钻头的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述将金刚石烧结体保温时间优选为3.4~3.5min。

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