CN112439896B - 一种含熔融沉积3d打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法 - Google Patents

一种含熔融沉积3d打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法，所述潜孔钻头包括钻头库体、安装于钻头库体工作面凹槽内的球齿、孕镶金刚石层；所述孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面；所述孕镶金刚石层由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为5～35％。本发明中孕镶金刚石层的制造采用先进的熔融沉积3D打印成型‑粉末冶金烧结技术，使钻头库体的耐磨性能得到极大提高，保证钻头工作过程中库体的磨损与硬质合金球齿的磨损实现同步，从而有利于延长钻头使用寿命，提高钻进效率。

Description

一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制 备方法
技术领域
本发明主要属于机械工程和钻掘工程领域，具体涉及一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法。
背景技术
潜孔钻头作为大功率凿岩机的配套产品，主要用于隧道、地下开采、露天矿山及采石场等工程掘进施工中，潜孔钻头是通过冲击或冲击回转方式破碎岩石的，工作过程中对其抵抗破裂、疲劳断裂、韧性和耐磨性的要求越来越高。目前，潜孔钻头库体部位耐磨等性能严重不足，工作过程中库体部位磨损较快，导致球齿脱落而缩短钻头使用寿命和降低钻头钻进效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种熔融沉积3D打印成型的潜孔钻头及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，所述潜孔钻头包括钻头库体、安装于钻头库体工作面凹槽内的球齿、孕镶金刚石层；所述孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面；所述孕镶金刚石层由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为5～35％。
本发明在钻头库体工作面的表面设置一层孕镶金刚石层，所述孕镶金刚石层与钻头库体的结合性能好，可以大幅提高钻头库体工作面的耐磨损性能，从而保证球齿与库体的磨损趋于一致，避免球齿过早脱落，进而提高钻头使用寿命和钻进效率。
在本发明中，所述库体是由高强度钢所制成。
优选的方案，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为18～25％。将金刚石的体积分数控制在上述范围内，最终钻头的耐磨性最佳。
优选的方案，所述孕镶金刚石层的厚度为0.5～15mm。优选为2-8mm
优选的方案，所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～60％、Co15～40％、Cu5～30％。
进一步的优选，所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe 50～60％、Co25～30％、Cu 15～20％。
优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.15～0.3mm。
优选的方案，所述球齿为硬质合金球齿或复合片球齿。
优选的方案，所述孕镶金刚石层通过熔融沉积3D打印成型设置于钻头库体工作面的表面。
发明人发现，通过熔融沉积3D打印成型将孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面能够提高耐磨层与钻头库体的结合度，且打印精度较高，保证耐磨层材料的均匀性，并能够有效降低原材料的损耗，进一步节省了制作成本。此外，相比传统的电镀法制造工艺，该工艺能够有效地缩短产品的加工时间，可以提高产品的制作效率。
本发明一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，混合获得混合料，将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料，然后通过熔融沉积3D打印成型，在钻头库体工作面逐层铺设颗粒料打印，获得表面设置有孕镶金刚石坯体层的钻头库体，脱脂、烧结，获得含表面设置有孕镶金刚石层的钻头库体，再于钻头库体工作面的凹槽内，镶嵌合金球齿，即得到潜孔钻头。
优选的方案，所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～60％、Co15～40％、Cu5～30％，
进一步的优选，所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，Fe 50～60％、Co25～30％、Cu 15～20％。
优选的方案，所述FeCoCu预合金粉末的粒径≤0.074mm，优选为0.035～0.074mm。
优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.15～0.3mm。
优选的方案，所述粘结剂，按质量百分比计，组成如下：聚甲醛65～80％、聚丙烯8～15％、氧化锌7～12％、邻苯二甲酸二丁酯3～8％、石蜡2～5％。
进一步的优选，所述粘结剂，按质量百分比计，组成如下：聚甲醛72～76％、聚丙烯8～10％、氧化锌8～10％、邻苯二甲酸二丁酯4～5％、石蜡3～4％。
优选的方案，所述粘结剂的加入量为FeCoCu预合金粉末与金刚石质量之和的3～15％，优选为5～10％。
优选的方案，所述熔融沉积3D打印成型的工艺参数为：温度100～240℃，单层打印厚度0.1～1.0mm。
进一步的优选，所述熔融沉积3D打印成型的工艺参数为：温度180～200℃，单层打印厚度0.3～0.5mm。
优选的方案，所述脱脂的温度为50～80℃，脱脂的时间为5～10h。
优选的方案，所述烧结工艺参数为：以3.5～5℃/min的升温速率，从室温升温至300℃～350℃，保温1～2h；然后以2.5～4℃/min的升温速率升温至750℃～800℃，保温1～2h；再以1.5～3℃/min的升温速率升温至900℃～950℃保温1～2h；然后随炉冷却。
在实际操作过程中，采用熔融沉积3D打印成型法将孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面的过程为：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型3D打印设备中；将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型3D打印机的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型3D打印机的工作参数，即喷嘴温度100～240℃，即单层打印厚度0.1～1.0mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层打印，直至孕镶金刚石层生坯打印到设定厚度；即获得表面设置有孕镶金刚石坯体层的钻头库体。
原理与优势
本发明提供了一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法，在钻头库体工作面的表面设置一层孕镶金刚石层，所述孕镶金刚石层与钻头库体的结合性能好，可以大幅提高钻头库体工作面的耐磨损性能，从而避免球齿脱落，进而提高钻头使用寿命和提高钻头钻进效率，在本发明中孕镶金刚石层采用FeCoCu合金，其耐磨性能较强，有助于改善硬质合金潜孔钻头库体部位的耐磨能力；采用熔融沉积3D打印成型法工艺简单快捷；利用粉末冶金烧结法有助于提高镀层与库体的结合力，改善了孕镶金刚石层的抗冲击能力；在库体部位涂覆孕镶金刚石层，熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法与传统的对库体进行热处理方法相比，大幅度提高了库体的耐磨能力，延长了钻头使用寿命，提高了钻头钻进效率。
附图说明
图1是熔融沉积3D打印成型硬质合金潜孔钻头钢体；1-库体工作面孕镶金刚石层；2-硬质合金球齿凹槽；3-钻头库体。
图2是熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的硬质合金潜孔钻头，1-库体工作面孕镶金刚石层；2-硬质合金球齿；3-钻头库体。
图3是熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的复合片潜孔钻头钢体；1-库体工作面孕镶金刚石层；2-复合片球齿凹槽；3-钻头库体。
图4是熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的复合片潜孔钻头，1-库体工作面孕镶金刚石层；2-复合片球齿；3-钻头库体。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2所示，熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的硬质合金潜孔钻头，包括钻头库体、库体工作面孕镶金刚石层、硬质合金球齿三部分。钻头库体工作面涂覆的孕镶金刚石层，厚度为4mm，FeCoCu合金所占体积分数为82％，金刚石所占体积分数为18％。采用原料FeCoCu预合金粉末其成分质量比例为Fe60％、Co25％、Cu15％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，所用FeCoCu预合金粉末的成分质量比例为Fe60％、Co25％、Cu15％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)；所用金刚石粒度为0.178～0.250mm(60/80目)；采用粘结剂组分的质量百分比为：聚甲醛76％、聚丙烯8％、氧化锌8％、邻苯二甲酸二丁酯4％、石蜡4％；其用量为FeCoCu合金粉末与金刚石质量之和的8％；
步骤二：按照比例计算和称量所需FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂；
步骤三：将FeCoCu预合金粉末、金刚石和粘结剂放入球磨混料机中混合均匀，形成混合料；
步骤四：将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料；
步骤五：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型设备中；
步骤六：将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型设备的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型设备的工作参数，即喷嘴温度180℃，即单层打印厚度0.3mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层打印，直至孕镶金刚石层生坯打印到设定厚度；
步骤七：将库体工作面打印有孕镶金刚石层生坯的钻头库体，置于脱脂炉中进行脱脂，脱脂参数为：脱脂温度50℃，脱脂时间5h
步骤八：将产品置于烧结炉中进行烧结，烧结参数为：从室温至300℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃保温1小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃保温1小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1小时；然后随炉冷却，即得到涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体；
步骤九：对涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌硬质合金球齿，即得到潜孔钻头成品。
应用效果：
在湖南省慈利县某矿山对所制得的硬质合金潜孔钻头进行了野外试验，试验区域的矿石岩层抗压强度大致为80～127.2MPa，岩石坚固性系数在9～10之间，属Ⅲ级坚固岩，试验设备为YQ-80型潜孔钻机，采用了本发明实施例1中的硬质合金潜孔钻头进行试验，一个硬质合金潜孔钻头的平均钻进深度为105.33m。
而相同工矿下，仅是采用未设置含熔融沉积3D打印成型涂覆金刚石层的现有技术中的硬质合金潜孔钻头，一个潜孔钻头的平均钻进深度为25.84m，超过这个深度即发生断齿，脱齿。
可以看到，本发明实施例1中的所制得的硬质合金潜孔钻头的使用寿命相比传统的潜孔钻头提高了4倍。
实施例2：
如图1、2所示，熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的硬质合金潜孔钻头，包括钻头库体、库体工作面孕镶金刚石层、硬质合金球齿三部分。钻头库体工作面涂覆的孕镶金刚石层，厚度为4mm，FeCoCu合金所占体积分数为75％，金刚石所占体积分数为25％。采用原料FeCoCu预合金粉末其成分质量比例为Fe50％、Co30％、Cu20％，粉末粒度为0.061～0.074mm(200/230目)。所用金刚石粒度为0.250～0.297mm(50/60目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，所用FeCoCu预合金粉末的成分质量比例为Fe50％、Co30％、Cu20％，粉末粒度为0.061～0.074mm(200/230目)；所用金刚石粒度为0.250～0.297mm(50/60目)；采用粘结剂组分的质量百分比为：聚甲醛72％、聚丙烯10％、氧化锌10％、邻苯二甲酸二丁酯5％、石蜡3％；其用量为FeCoCu合金粉末与金刚石质量之和的10％；
步骤二：按照比例计算和称量所需FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂；
步骤三：将FeCoCu预合金粉末、金刚石和粘结剂放入球磨混料机中混合均匀，形成混合料；
步骤四：将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料；
步骤五：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型设备中；
步骤六：将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型设备的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型设备的工作参数，即喷嘴温度200℃，即单层打印厚度0.4mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层打印，直至孕镶金刚石层生坯打印到设定厚度；
步骤七：将库体工作面打印有孕镶金刚石层生坯的钻头库体，置于脱脂炉中进行脱脂，脱脂参数为：脱脂温度60℃，脱脂时间6h
步骤八：将产品置于烧结炉中进行烧结，烧结参数为：从室温至300℃，升温速率3.5℃/min，在300℃保温1小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在780℃保温1小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1小时；然后随炉冷却，即得到涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体；
步骤九：对涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌硬质合金球齿，即得到潜孔钻头成品。
在湖南省慈利县某矿山对所制得的硬质合金潜孔钻头进行了野外试验，试验区域的矿石岩层抗压强度大致为80～127.2MPa，岩石坚固性系数在9～10之间，属Ⅲ级坚固岩，试验设备为YQ-80型潜孔钻机，采用了本发明实施例2中的硬质合金潜孔钻头进行试验，一个硬质合金潜孔钻头的平均钻进深度为98.33m。
实施例3：
如图3、4所示，熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的复合片潜孔钻头，包括钻头库体、库体工作面孕镶金刚石层、复合片球齿三部分。钻头库体工作面涂覆的孕镶金刚石层，厚度为10mm，FeCoCu合金所占体积分数为82％，金刚石所占体积分数为18％。采用原料FeCoCu预合金粉末其成分质量比例为Fe60％、Co25％、Cu15％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，所用FeCoCu预合金粉末的成分质量比例为Fe60％、Co25％、Cu15％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)；所用金刚石粒度为0.178～0.250mm(60/80目)；采用粘结剂组分的质量百分比为：聚甲醛76％、聚丙烯8％、氧化锌8％、邻苯二甲酸二丁酯4％、石蜡4％；其用量为FeCoCu合金粉末与金刚石质量之和的8％；
步骤二：按照比例计算和称量所需FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂；
步骤三：将FeCoCu预合金粉末、金刚石和粘结剂放入球磨混料机中混合均匀，形成混合料；
步骤四：将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料；
步骤五：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型设备中；
步骤六：将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型设备的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型设备的工作参数，即喷嘴温度180℃，即单层打印厚度0.3mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层打印，直至孕镶金刚石层生坯打印到设定厚度；
步骤七：将库体工作面打印有孕镶金刚石层生坯的钻头库体，置于脱脂炉中进行脱脂，脱脂参数为：脱脂温度60℃，脱脂时间6h
步骤八：将产品置于烧结炉中进行烧结，烧结参数为：从室温至300℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃保温1小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃保温1小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1小时；然后随炉冷却，即得到涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体；
步骤九：对涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌复合片球齿，即得到潜孔钻头成品。
在湖南省慈利县某矿山对所制得的硬质合金潜孔钻头进行了野外试验，试验区域的矿石岩层抗压强度大致为80～127.2MPa，岩石坚固性系数在9～10之间，属Ⅲ级坚固岩，试验设备为YQ-80型潜孔钻机，采用了本发明实施例3中的复合片潜孔钻头进行试验，一个硬质合金潜孔钻头的平均钻进深度为86.33m。
实施例4：
如图3、4所示，熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂覆金刚石层的复合片潜孔钻头，包括钻头库体、库体工作面孕镶金刚石层、复合片球齿三部分。钻头库体工作面涂覆的孕镶金刚石层，厚度为4mm，FeCoCu合金所占体积分数为75％，金刚石所占体积分数为25％。采用原料FeCoCu预合金粉末其成分质量比例为Fe50％、Co30％、Cu20％，粉末粒度为0.061～0.074mm(200/230目)。所用金刚石粒度为0.250～0.297mm(50/60目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，所用FeCoCu预合金粉末的成分质量比例为Fe50％、Co30％、Cu20％，粉末粒度为0.061～0.074mm(200/230目)；所用金刚石粒度为0.250～0.297mm(50/60目)；采用粘结剂组分的质量百分比为：聚甲醛72％、聚丙烯10％、氧化锌10％、邻苯二甲酸二丁酯5％、石蜡3％；其用量为FeCoCu合金粉末与金刚石质量之和的10％；
步骤二：按照比例计算和称量所需FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂；
步骤三：将FeCoCu预合金粉末、金刚石和粘结剂放入球磨混料机中混合均匀，形成混合料；
步骤四：将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料；
步骤五：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型设备中；
步骤六：将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型设备的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型设备的工作参数，即喷嘴温度200℃，即单层打印厚度0.5mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层打印，直至孕镶金刚石层生坯打印到设定厚度；
步骤七：将库体工作面打印有孕镶金刚石层生坯的钻头库体，置于脱脂炉中进行脱脂，脱脂参数为：脱脂温度60℃，脱脂时间6h
步骤八：将产品置于烧结炉中进行烧结，烧结参数为：从室温至300℃，升温速率为3.5℃/min，在350℃保温1小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃保温1小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1小时；然后随炉冷却，即得到涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体；
步骤九：对涂覆有孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌复合片球齿，即得到潜孔钻头成品。
在湖南省慈利县某矿山对所制得的硬质合金潜孔钻头进行了野外试验，试验区域的矿石岩层抗压强度大致为80～127.2MPa，岩石坚固性系数在9～10之间，属Ⅲ级坚固岩，试验设备为YQ-80型潜孔钻机，采用了本发明实施例4中的复合片潜孔钻头进行试验，一个硬质合金潜孔钻头的平均钻进深度为102.33m。
对比例1：
其它条件与实施例1相同，但孕镶金刚石层的厚度不同，其厚度为15mm,在相同工作条件下，与实例1所述的钻头相比，由于孕镶金刚石层较厚，球齿出露高度有所降低，钻进过程中岩屑不易排出，导致其钻进效率明显降低，实验结果显示对比例1中钻头的使用寿命为55.33m。
对比例2：
其它条件与实施例1相同，但单层打印厚度为1mm，打印的孕镶金刚石层表面的锯齿状打印痕迹较为明显，产品表面的粗糙度大幅度增加，导致孕镶金刚石层的耐磨性能不一致，钻头使用寿命明显下降，实验结果显示本对比例2中钻头的使用寿命的为55.33m。

Claims (4)

1.一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述潜孔钻头包括钻头库体、安装于钻头库体工作面凹槽内的球齿、孕镶金刚石层；所述孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面；所述孕镶金刚石层由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为5～35%；
所述孕镶金刚石层的厚度为2-8mm；
所述金刚石的粒径为0.15~0.3mm；
所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe 50～60%、Co25～30%、Cu 15～20%；
所述孕镶金刚石层通过熔融沉积3D打印成型设置于钻头库体工作面的表面。
2.根据权利要求1所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：
所述球齿为硬质合金球齿或复合片球齿。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按设计比例配取FeCoCu预合金粉末、粘结剂，混合获得混合料，将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料，然后通过熔融沉积3D打印成型，在钻头库体工作面逐层铺设颗粒料打印，获得表面设置有孕镶金刚石坯体层的钻头库体，脱脂、烧结，获得含表面设置有孕镶金刚石层的钻头库体，再于钻头库体工作面的凹槽内，镶嵌合金球齿，即得到潜孔钻头。
4.根据权利要求3所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头的制备方法，其特征在于： 所述FeCoCu预合金粉末的粒径≤0.074mm。
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