CN112453411A - 一种含激光3d打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含激光3D打印法涂覆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；所述孕镶金刚石层包由CoCrWMo合金基体以及分散于CoCrWMo合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层通过激光3D打印法设置于钻头库体工作面的表面。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，从而避免球齿脱落，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，进而提高钻头使用寿命和提高钻头钻进效率。
Description
技术领域
本发明主要属于机械工程和钻掘工程领域，尤其涉及一种含激光3D打印法涂覆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含激光3D打印法涂覆金刚石层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：
本发明一种含激光3D打印法涂覆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CoCrWMo合金基体以及分散于CoCrWMo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3～25％。
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，保证钻头工作过程中库体的磨损与复合片球齿的磨损实现同步，从而避免球齿脱落，进而提高钻头使用寿命和钻进效率。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15～25％。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1.5～10mm，优选为4-6mm。发明人发现，孕镶金刚石层的厚度需要有效控制，若孕镶金刚石层较薄，其强度以及耐磨性能不足，在钻进过程中受到冲击作用后，表面易产生裂纹而失效，而若孕镶金刚石层较厚，球齿出露高度有所降低，钻进过程中岩屑不易排出，将导致其钻进效率明显降低。
优选的方案，所述CoCrWMo合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Co10～90％、Cr5～30％、W2～12％、Mo3～10％。
进一步的优选，所述CoCrWMo合金基体，按质量比百分比计，其成份组成为Co82～84％、Cr 3～6％、W7～10％、Mo3～5％。
优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.1～0.2mm。
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激光3D打印法设置于钻头库体工作面的表面。
发明人发现，通过激光3D打印法将孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面一方面可以保证涂层的均匀性，另一方面，采用激光3D打印法可以使本发明中的孕镶金刚石层与库体非常好的结合，且可以保证库体的结构，发明人尝试过热压烧结法、电镀法，均无法保证孕镶金刚石层与库体的粘结度。
本发明含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头头的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取CoCrWMo预合金粉末、金刚石，混合获得混合粉，然后采用激光3D打印法，在钻头库体工作面逐层铺设混合粉打印，获得孕镶金刚石层，再于含孕镶金刚石层的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CoCrWMo预合金粉末，按质量比百分比计，其成份组成为Co10～90％、Cr 5～30％、W2～12％、Mo3～10％。
优选的方案，所述CoCrWMo预合金粉末的粒径≤0.08mm，优选为0.3～0.6mm。
优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.1～0.2mm。
优选的方案，所述激光3D打印法的工艺参数为：激光功率为200～1000W，扫描速率0.01～0.10m/s，粉层厚度0.02～0.60mm。
进一步的优选，所述激光3D打印法的工艺参数为：激光功率为500～700W，扫描速率0.03～0.04m/s，粉层厚度0.10～0.15mm。
在实际操作过程中，采用激光3D打印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，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，将最终切片文件导入激光3D打印设备中；将混合均匀的混合粉放入打印机的供粉缸内，并将钻头库体放置在打印机台架上；设定激光打印机的工作参数，即激光功率为200～1000W，扫描速率0.01～0.10m/s，粉层厚度0.02～0.60mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层铺粉打印，直至孕镶金刚石层打印到设定厚度。
原理与优势
本发明提供了含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻包括钻头库体、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，在本发明中，孕镶金刚石层采用CoCrWMo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；另外采用激光3D打印法将孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面，工艺简单快捷，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，激光3D打印法与传统的对库体进行热处理方法相比，材料成型烧结利用率高，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硬质合金潜孔钻头钢体；其中1-孕镶金刚石层；2-硬质合金球齿凹槽；3-钻头库体
图2硬质合金潜孔钻头。其中1-孕镶金刚石层；2-硬质合金球齿；3-钻头库体。
图3复合片潜孔钻头钢体；其中1-复合片球齿凹槽；2-孕镶金刚石层；3-钻头库体。
图4复合片潜孔钻头；其中，1-复合片球齿；2-孕镶金刚石层；3-钻头库体。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2所示，激光3D打印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5mm，CoCrWMo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CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co82％、Cr6％、W7％、Mo5％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)。所用金刚石粒度为0.12～0.15mm(100/120目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备CoCrWMo预合金粉末和金刚石，其中CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co82％、Cr6％、W7％、Mo5％，粒度为0.038～0.044mm(300/325目)；金刚石粒度为0.12～0.15mm(100/120目)；
步骤二：按照步骤一的比例计算和称量所需CoCrWMo预合金粉末和金刚石；
步骤三：将CoCrWMo预合金粉末与金刚石放入球磨混料机中混合均匀；
步骤四：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，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，将最终切片文件导入激光3D打印设备中；
步骤五：将混合均匀的粉末(含金刚石)放入打印机的供粉缸内，并将钻头库体放置在打印机台架上；设定激光打印机的工作参数，即激光功率为600W，扫描速率0.04m/s，粉层厚度0.15mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层铺粉打印，直至孕镶金刚石层打印到设定厚度；
步骤六：取出打印好孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌硬质合金球齿，即潜孔钻头制造完成。
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。采用本实施例1中的含激光3D打印法涂覆金刚石层的硬质合金潜孔钻头，一个潜孔钻头的平均钻进深度为110m。
而相同工矿下，仅是采用未设置含激光3D打印法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。
可以看出，本发明实施例1中的硬质合金潜孔钻头寿命相对于现有技术中的钻头，寿命提升4倍。
实施例2：
如图1、2所示，激光3D打印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5mm，CoCrWMo合金所占体积分数为85％，金刚石所占体积分数为15％。采用原料CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co84％、Cr3％、W10％、Mo3％，粉末粒度为0.044～0.053mm(270/300目)。所用金刚石粒度为0.104～0.124mm(120/140目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备CoCrWMo预合金粉末和金刚石，其中CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co84％、Cr3％、W10％、Mo3％，粒度为0.044～0.053mm(270/300目)；金刚石粒度为0.104～0.124mm(120/140目)；
步骤二：按照步骤一的比例计算和称量所需CoCrWMo预合金粉末和金刚石；
步骤三：将CoCrWMo预合金粉末与金刚石放入球磨混料机中混合均匀；
步骤四：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，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，将最终切片文件导入激光3D打印设备中；
步骤五：将混合均匀的粉末(含金刚石)放入打印机的供粉缸内，并将钻头库体放置在打印机台架上；设定激光打印机的工作参数，即激光功率为600W，扫描速率0.03m/s，粉层厚度0.13mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层铺粉打印，直至孕镶金刚石层打印到设定厚度；
步骤六：取出打印好孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌硬质合金球齿，即潜孔钻头制造完成。
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。采用本实施例2中的含激光3D打印法涂覆金刚石层的硬质合金潜孔钻头，一个潜孔钻头的平均钻进深度为128m。
实施例3：
如图3、4所示，激光3D打印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5mm，CoCrWMo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CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co82％、Cr6％、W7％、Mo5％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)。所用金刚石粒度为0.12～0.15mm(100/120目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备CoCrWMo预合金粉末和金刚石，其中CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co82％、Cr6％、W7％、Mo5％，粒度为0.038～0.044mm(300/325目)；金刚石粒度为0.12～0.15mm(100/120目)；
步骤二：按照步骤一的比例计算和称量所需CoCrWMo预合金粉末和金刚石；
步骤三：将CoCrWMo预合金粉末与金刚石放入球磨混料机中混合均匀；
步骤四：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，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，将最终切片文件导入激光3D打印设备中；
步骤五：将混合均匀的粉末(含金刚石)放入打印机的供粉缸内，并将钻头库体放置在打印机台架上；设定激光打印机的工作参数，即激光功率为600W，扫描速率0.04m/s，粉层厚度0.15mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层铺粉打印，直至孕镶金刚石层打印到设定厚度；
步骤六：取出打印好的孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌复合片球齿，即潜孔钻头制造完成。
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。采用本实施例3中的含激光3D打印法涂覆金刚石层的复合片潜孔钻头，一个潜孔钻头的平均钻进深度为119m。
实施例4：
如图3、4所示，激光3D打印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5mm，CoCrWMo合金所占体积分数为85％，金刚石所占体积分数为15％。采用原料CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co84％、Cr3％、W10％、Mo3％，粉末粒度为0.044～0.053mm(270/300目)。所用金刚石粒度为0.104～0.124mm(120/140目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备CoCrWMo预合金粉末和金刚石，其中CoCrWMo预合金粉末其成分质量比例为Co84％、Cr3％、W10％、Mo3％，粒度为0.044～0.053mm(270/300目)；金刚石粒度为0.104～0.124mm(120/140目)；
步骤二：按照步骤一的比例计算和称量所需CoCrWMo预合金粉末和金刚石；
步骤三：将CoCrWMo预合金粉末与金刚石放入球磨混料机中混合均匀；
步骤四：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，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，将最终切片文件导入激光3D打印设备中；
步骤五：将混合均匀的粉末(含金刚石)放入打印机的供粉缸内，并将钻头库体放置在打印机台架上；设定激光打印机的工作参数，即激光功率为600W，扫描速率0.03m/s，粉层厚度0.13mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层铺粉打印，直至孕镶金刚石层打印到设定厚度；
步骤六：取出打印好孕镶金刚石层的钻头库体，镶嵌复合片球齿，即潜孔钻头制造完成。
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。采用本实施例4中的含激光3D打印法涂覆金刚石层的复合片潜孔钻头，一个潜孔钻头的平均钻进深度为124m。
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1mm,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薄，其强度以及耐磨性能不足，在钻进过程中受到冲击作用后，表面易产生裂纹而失效。
对比例2：
其它条件与实施例1相同，但单层打印厚度(粉层厚度)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，影响钻头的使用寿命。
Claims (10)
1.一种含激光3D打印法涂覆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CoCrWMo合金基体以及分散于CoCrWMo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3～25％。
2.根据权利要求1所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为15～25％。
3.根据权利要求1所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述孕镶金刚石层的厚度为1.5～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述CoCrWMo合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Co10～90％、Cr 5～30％、W2～12％、Mo3～10％。
5.根据权利要求1所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述金刚石的粒径≤0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种含激光3D打印法涂覆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。
7.根据权利要求1所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述孕镶金刚石层通过激光3D打印法设置于钻头库体工作面的表面。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种含激光3D打印法涂覆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CoCrWMo预合金粉末、金刚石，混合获得混合粉，然后采用激光3D打印法，在钻头库体工作面逐层铺设混合粉打印，获得孕镶金刚石层，再于含孕镶金刚石层的钻头库体工作面的凹槽内，镶嵌合金球齿，即得到潜孔钻头。
9.根据权利要求8所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头的制备方法，其特征在于：
所述CoCrWMo预合金粉末，按质量比计，其成份组成为Co10～90％、Cr 5～30％、W2～12％、Mo3～10％；所述CoCrWMo预合金粉末的粒径≤0.08mm；所述金刚石的粒径≤0.5mm。
10.根据权利要求8所述的一种含激光3D打印法涂覆金刚石层的潜孔钻头的制备方法，其特征在于：所述激光3D打印法的工艺参数为：激光功率为200～1000W，扫描速率0.01～0.10m/s，粉层厚度0.02～0.60mm。
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