CN111687405A - 一种金刚石钻头胎体粉末及制造金刚石钻头的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石钻头胎体粉末，属于粉末冶金材料的技术领域，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末=1:1.8‑2.2，其中，骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3%‑5%、B 2%‑3%、C 0.2%‑0.4%、Cr 18%‑20%、Fe 2%‑3%、Ni 28%‑30%、余量Co；粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5%‑7%、B 2.7%‑3.5%、Si 4%‑5%、Fe 2%‑4%、余量Ni；本发明还公开了采用上述金刚石胎体粉末金刚石钻头胎体粉末制造金刚石钻头的方法，包括：将金刚石钻头胎体粉末和金刚石粉混合，经热压烧结形成刀头，将刀头与刚体焊接获得金刚石钻头；本发明的金刚石钻头胎体粉末对金刚石粉的把持效果好，提高了金刚石钻头的钻切速度。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金材料的技术领域，特别涉及一种金刚石钻头胎体粉末及制造金刚石钻头的方法。
背景技术
金刚石钻头是金刚石工具的一种，广泛应用于钻探领域。金刚石钻头通常包括刚体，刚体上设置有刀头。金刚石钻头加工过程中，先加工出刀头，然后，将刀头采用激光焊接工艺焊接于刚体上。刀头是由金刚石粉和胎体粉末混合后经热压烧结形成，金刚石粉起到实际的钻切作用，而胎体粉末对金刚石粉起到把持作用。
现有的可参考授权公告号为CN101961784B的中国专利申请，其公开了一种用于制作钢筋混凝土金刚石钻头胎体的粉末冶金材料，其组分及基于其总质量的质量百分比含量分别为：铜26％-32％，锡0％-3％，铁20％-30％，镍0％-4％，预合金40％-50％，其中所述预合金的成分和质量比例为：Fe:Co:Cu＝68-74:13-18:11-16。
胎体粉末的质量对于刀头的钻切功能具有重要影响，其对金刚石粉的把持作用关系到钻切速度的快慢以及钻头的使用寿命。如何进一步开发形成胎体的胎体粉末，成为发展金刚石钻头的关键因素之一。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的一在于：提供一种金刚石钻头胎体粉末，采用该种金刚石胎体粉末制备金刚石钻头，胎体对金刚石粉的把持效果佳，提高了金刚石钻头的钻切速度。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种金刚石钻头胎体粉末，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:1.8-2.2，其中，
骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3％-5％、B 2％-3％、C 0.2％-0.4％、Cr 18％-20％、Fe 2％-3％、Ni 28％-30％、余量Co；
粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5％-7％、B 2.7％-3.5％、Si 4％-5％、Fe 2％-4％、余量Ni。
通过采用上述方案，预合金粉末是由多种金属熔炼成低熔点合金后喷制而成的粉末，预合金粉末的每一个粉末颗粒都包含组成合金的各种元素，充分保证了胎体的均匀性。而且，预合金粉末的熔点比合金中各组分的熔点低得多，故能够显著降低预合金粉末的烧结温度，从而降低对金刚石的损伤。
本发明中，采用两种预合金粉末。两种预合金粉末本身内部的组分的均匀性较高，与金刚石共混后，能够有效提高胎体内各组分的均匀性，避免胎体内部出现成分偏析，提高胎体本身的强度、抗弯等力学性能，从而提高对金刚石的把持能力，提高钻切速度和钻切效率。
预合金粉末中的各组分的选取与配比非常关键，即使是微量的调整，也会对其在胎体中结构和性能造成很大影响，而这也直接关系到预合金粉末的烧结性能、力学性能以及适用的金刚石工具种类。实际研发过程中，一款性能优异的预合金粉末产品需要研发人员经过大量的实验才能获取。胎体粉末中通常包括骨架粉末、粘接粉末和金刚石粉。骨架粉末起支撑作用，粘接粉末用于连接金刚石粉和骨架。
针对于胎体内不同作用结构的特点，本发明开发出了骨架预合金粉末和粘接预合金粉末两种预合金粉末，骨架预合金粉末和粘接预合金粉末分别具有强度高、对金刚石把持作用好的优点，且两种预合金粉末之间具有较佳的融合性。采用该种金刚石胎体粉末与金刚石粉混合后热压烧结得刀头，烧结温度低、对金刚石粉的把持效果好。
本发明的骨架预合金粉末中，以Co、Ni、Cr作为主要组分，添加少量Si、B、Fe，并添加微量的C：Ni在烧结过程中能够熔于合金中，与Co、Fe结合，有效提高骨架的耐磨性，减小骨架的变形，保证骨架的尺寸，防止骨架以及胎体中出现裂纹；Cr能够与C反应生成Cr7C3、Cr3C2型化合物，从而有效提高骨架以及胎体的抗弯强度；Si的加入能够明显降低合金的熔点，从而改善胎体的烧结温度，Si还有较强的脱氧能力，而且，Si的结构与金刚石的结构相同，膨胀系数相近，相容性较好，冷热变化时体积效应小，不仅能够保证胎体的尺寸，还能有效防止裂纹；B能够与Fe形成硼化物，能够显著提高胎体的耐磨性，而且，B的加入还能提高胎体的耐蚀性和耐高温氧化性，配合Si的强脱氧能力，使得胎体在高温下具备较佳的耐蚀性，进一步增强胎体的强度。实验证明，本发明中的骨架预合金粉末中的各组分元素的配比适当，具有协同效果，使得骨架预合金粉末具有较高的硬度，在胎体中起到良好的骨架作用。
本发明的粘接预合金粉末中，以Ni作为主要组分，添加少量Cr、Si、B、Fe：Ni在烧结过程中能够熔于合金中，促进合金的融合，从而有效降低胎体烧结温度，而且，由于Ni能够与骨架预合金粉末中的Co、Fe结合，从而能够提高骨架与粘接剂之间的连接性能；金刚石也是由C元素构成，Cr能够与C反应生成Cr7C3、Cr3C2型化合物，从而提高胎体与金刚石颗粒之间的粘接强度，从而提高胎体对金刚石颗粒的把持性能，还能有效提高胎体的抗弯强度；Si的结构与金刚石的结构相同，相容性较好，能够进一步改善胎体与金刚石之间的截面结合；B能够与Fe形成硼化物，提高胎体与金刚石颗粒之间的界面结合强度，提高胎体对金刚石的把持能力。实验证明，本发明中的粘接预合金粉末中的各组分元素的配比适当，具有协同效果，使得粘接预合金粉末对金刚石粉具有较强的把持力，从而能够有效提高钻头的钻切速度。
本发明进一步设置为：所述骨架预合金粉末和粘接预合金粉末的粒度均为-200目～+300目。
通过采用上述方案，目数前加正负号则表示能否漏过该目数的网孔，负数表示能漏过该目数的网孔，即颗粒尺寸小于网孔尺寸。而正数表示不能漏过该目数的网孔，即颗粒尺寸大于网孔尺寸。胎体粉末的粒径对于胎体烧结过程中的融合性具有较大影响，本发明的两种骨架预合金粉末的粒径控制在-200目～+300目，能够促进烧结过程中的融合性，进一步改善胎体的内部成分的均匀性。
本发明进一步设置为：所述骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si3.2％、B 2.5％、C 0.3％、Cr 20％、Fe 2.4％、Ni 28.5％、余量Co。
本发明进一步设置为：所述骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Ni3.5％、Cu 23.5％、Sn 2％、余量Fe。
本发明进一步设置为：所述粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr5.5％、B 3.2％、Si 4％、Fe 3.4％、余量Ni。
本发明进一步设置为：包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:2.1。
本发明的目的二在于：提供一种利用上述金刚石钻头胎体粉末制造金刚石钻头的方法，包括有以下步骤：
S1，将金刚石钻头胎体粉末和金刚石粉混合，获得预混粉料A；
S2，将预混粉料A经热压烧结形成刀头；
S3，将刀头与刚体焊接，获得金刚石钻头。
本发明进一步设置为：步骤S1中，金刚石钻头胎体粉末与金刚石粉的重量比为1:0.2-0.3。
本发明进一步设置为：步骤S2中，热压烧结温度为870℃。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明针对金刚石钻头开发出一种胎体粉末，包括以合理配比混合的骨架预合金粉末和粘接预合金粉末两种预合金粉末，骨架预合金粉末和粘接预合金粉末分别具有强度高、对金刚石把持作用好的优点，且两种预合金粉末之间具有较佳的融合性。采用该种金刚石胎体粉末制备金刚石钻头，胎体对金刚石粉的把持效果佳，金刚石钻头的钻切速度有明显提高。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种金刚石钻头胎体粉末，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:1.8，其中，
骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3％、B 2％、C 0.2％、Cr 18％、Fe2％、Ni 28％、余量Co；
粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5％、B 2.7％、Si 4％、Fe 2％、余量Ni；
所述骨架预合金粉末和粘接预合金粉末的粒度均为-200目～+300目。
实施例2
一种金刚石钻头胎体粉末，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:2.1，其中，
骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3.2％、B 2.5％、C 0.3％、Cr20％、Fe 2.4％、Ni 28.5％、余量Co。
粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5.5％、B 3.2％、Si 4％、Fe3.4％、余量Ni。
所述骨架预合金粉末和粘接预合金粉末的粒度均为-200目～+300目。
实施例3
一种金刚石钻头胎体粉末，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:2.2，其中，
骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 5％、B 3％、C 0.4％、Cr 20％、Fe3％、Ni 30％、余量Co；
粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 7％、B 3.5％、Si 5％、Fe 4％、余量Ni；所述骨架预合金粉末和粘接预合金粉末的粒度均为-200目～+300目。
实施例4
一种金刚石钻头胎体粉末，与实施例2的不同之处在于：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:1.8。
实施例5
一种金刚石钻头胎体粉末，与实施例2的不同之处在于：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末＝1:2.2。
实施例6
一种金刚石钻头胎体粉末，与实施例2的不同之处在于：骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3％、B 2％、C 0.2％、Cr 18％、Fe 2％、Ni 28％、余量Co。
实施例7
一种金刚石钻头胎体粉末，与实施例2的不同之处在于：骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 5％、B 3％、C 0.4％、Cr 20％、Fe 3％、Ni 30％、余量Co。
实施例8
一种金刚石钻头胎体粉末，与实施例2的不同之处在于：粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5％、B 2.7％、Si 4％、Fe 2％、余量Ni。
实施例9
一种金刚石钻头胎体粉末，与实施例2的不同之处在于：粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 7％、B 3.5％、Si 5％、Fe 4％、余量Ni。
实施例10
一种制造金刚石钻头的方法，利用实施例1中的金刚石钻头胎体粉末，包括有以下步骤：
S1，将金刚石钻头胎体粉末和金刚石粉按重量比1:0.2混合，获得预混粉料A；
S2，将预混粉料A经热压烧结形成刀头，热压烧结温度为870℃；
S3，将刀头与刚体焊接，获得直径108mm的金刚石钻头。
实施例11-18
均为制造金刚石钻头的方法，与实施例10的不同之处在于：实施例11-18分别采用的是实施例2-9中的金刚石钻头胎体粉末。
实施例19
一种制造金刚石钻头的方法，与实施例11的区别在于：步骤S1中，金刚石钻头胎体粉末和金刚石粉按重量比为1:0.25。
实施例20
一种制造金刚石钻头的方法，与实施例11的区别在于：步骤S1中，金刚石钻头胎体粉末和金刚石粉按重量比为1:0.3。
对比例1
一种制造金刚石钻头的方法，与实施例11的区别在于：
采用现有的一种金刚石胎体粉末，组分及重量百分比为：Cu 26％、Sn 2％、Fe 24％、Ni30％-4、预合金40％-47，其中，预合金的组分及重量百分比为：Fe:Co:Cu＝71:15.5:13.5。
性能检测
选用混凝土样品快作为钻头钻切对象。混凝土样品块中，混凝土标号为C40、混凝土沿钻切方向上的厚度30mm、沿钻切方向设置4层钢筋、钢筋直径18mm。分别采用实施例10-20以及对比例1制得的金刚石钻头钻切混凝土样品块，测试钻切速度，结果如表1所示。
表1钻切速度检测结果
由表1可以看出，相比于对比例1，采用本发明的金刚石钻头胎体粉末制得的金刚石钻头具有较高的钻切速度。这是因为，本发明中，骨架预合金粉末和粘接预合金粉末分别具有强度高、对金刚石把持作用好的优点，且两种预合金粉末之间具有较佳的融合性，由此提高了金刚石钻头的钻切速度。
对比实施例11、13-14、14-16、17-18可以看出，骨架预合金粉末与粘接预合金粉末的重量配比、骨架预合金粉末中的组分配比、粘接预合金粉末中的组分配比均对金刚石钻头的钻切速度具有较大影响。这也进一步印证了上文提到的：预合金粉末中的各组分的选取与配比非常关键，即使是微量的调整，也会对其在胎体中结构和性能造成很大影响。
上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种金刚石钻头胎体粉末，其特征在于，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末=1:1.8-2.2，其中，
骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3%-5%、B 2%-3%、C 0.2%-0.4%、Cr18%-20%、Fe 2%-3%、Ni 28%-30%、余量Co；
粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5%-7%、B 2.7%-3.5%、Si 4%-5%、Fe2%-4%、余量Ni。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头胎体粉末，其特征在于：所述骨架预合金粉末和粘接预合金粉末的粒度均为-200目~+300目。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头胎体粉末，其特征在于：所述骨架预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Si 3.2%、B 2.5%、C 0.3%、Cr 20%、Fe 2.4%、Ni 28.5%、余量Co。
4.根据权利要求3所述的一种金刚石钻头胎体粉末，其特征在于：所述粘接预合金粉末包括有以下重量百分比的组分：Cr 5.5%、B 3.2%、Si 4%、Fe 3.4%、余量Ni。
5.根据权利要求4所述的一种金刚石钻头胎体粉末，其特征在于，包括有以下重量百分比的组分：骨架预合金粉末:粘接预合金粉末=1:2.1。
6.一种利用权利要求1-5任一所述的金刚石钻头胎体粉末制造金刚石钻头的方法，其特征在于，包括有以下步骤：
S1，将金刚石钻头胎体粉末和金刚石粉混合，获得预混粉料A；
S2，将预混粉料A经热压烧结形成刀头；
S3，将刀头与刚体焊接，获得金刚石钻头。
7.根据权利要求6所述的制造金刚石钻头的方法，其特征在于：步骤S1中，金刚石钻头胎体粉末与金刚石粉的重量比为1:0.2-0.3。
8.根据权利要求6所述的制造金刚石钻头的方法，其特征在于：步骤S2中，热压烧结温度为870℃。
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