CN112605609B - 塔式滚刀圈及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种塔式滚刀圈及制备方法，包括刀圈基体和均匀设置在刀圈基体外圆周表面的刀齿，所述刀圈基体包括以下重量百分比的原料：C 0.38‑0.45%、Cr 0.9‑1.2%、Mo 0.15‑0.25%、Ni≤0.30%、Cu≤0.30%、杂质S≤0.02%、杂质P≤0.02%，Fe余量。本发明中在刀圈基体钎焊聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片比硬质合金的强度高、耐磨性好，并且具有良好的自锐性，可以显著的提高施工质量和施工效率。刀圈基体采用表面感应淬火的方式进行热处理，使刀圈基体心部具有良好的冲击韧性≥60J/cm2，同时表面具有较高的硬度为HRC50‑55，表面具有良好的耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及刀具加工制造技术领域，具体涉及一种塔式滚刀圈及制备方法。
背景技术
反井钻机是一种反扩式钻机，在煤矿、金属矿山、水利工程、隧道工程等领域大量使用。在施工过程中，反井钻机依靠安装在刀盘上的塔式滚刀进行破岩，塔式滚刀经常在强挤压、强冲击、高磨损的环境下运行，导致塔式滚刀圈出现失效而无法正常使用。
现有的塔式滚刀圈由刀圈基体和安装在刀圈基体外圆周的硬质合金刀齿构成，其失效形式主要有三种：第一是硬质合金刀齿磨损，在施工时刀齿以凿碎、压入、剪切、刮削等形式破碎岩石，刀齿不断磨损，在对硬岩和极硬岩破碎时，刀齿的磨损更为剧烈；第二是刀齿崩落，在破岩过程中，由于塔式滚刀圈与岩石持续碰撞摩擦，使刀齿与刀圈基体的连接发生松动，从而发生刀齿崩落；第三是刀圈基体磨损，当遇到不均匀地质或钻压施加不合理时，刀圈基体与岩石发生剧烈碰撞摩擦，从而发生磨损。塔式滚刀圈的失效直接影响施工周期和施工成本。因此，有必要开发一种高性能的反井钻机滚刀，提高反井钻机施工质量和效率。
发明内容
本发明提出了一种塔式滚刀圈及制备方法，该塔式滚刀圈刀齿和刀圈基体更加耐磨，刀齿和刀圈基体结合更好，使用寿命更长。
实现本发明的技术方案是：
一种塔式滚刀圈，包括刀圈基体和均匀设置在刀圈基体外圆周表面的刀齿，所述刀圈基体包括以下重量百分比的原料：C 0.38-0.45%、Cr 0.9-1.2%、Mo 0.15-0.25%、Ni≤0.30%、Cu≤0.30%、杂质S≤0.02%、杂质P≤0.02%，Fe余量。
所述刀齿包括硬质合金基体和聚晶金刚石耐磨层组成。
所述聚晶金刚石耐磨层包括以下重量百分比的组分：金刚石80-82%，Si 6-7%，Co12-13%。
所述刀圈基体进行表面淬火处理，淬硬层深度达10mm以上，表面整体硬度为HRC50-55，心部硬度为HRC 30-35，心部冲击韧性≥60J/cm2。
所述的塔式滚刀圈的制备方法，步骤如下：
（1）对塔式滚刀圈基体进行机械加工，进行表面淬火处理，刀圈基体圆周表面加工刀齿安装孔；
（2）将硬质合金基体加工为聚晶金刚石复合片，作为刀齿；
（3）将刀齿通过钎焊的方式均匀固定到刀圈基体的安装孔内。
所述步骤（1）中感应淬火处理步骤为：将刀圈基体外侧加热至900-950℃，用淬火油进行冷却；低温回火的回火温度为180-200℃，保温时间为1.5-2h。
所述步骤（2）中具体步骤为：
A、金刚石混合微粉的配料、混合：将金刚石微粉、Co粉和Si粉混合均匀，利用球磨机球磨10 h，混合均匀后放置在120℃的真空干燥箱下保存备用；
B、硬质合金基体：按图纸要求加工硬质合金基体；
C、在叶腊石块内将金刚石混合微粉与硬质合金基体组装：取1.0-2.0g金刚石混合微粉与硬质合金基体用压力机压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入导电钢圈组成的合成模内；
D、高温高压下合成：将组成的合成模放入六面顶金刚石压机内，在高温高压下烧结合成制成聚晶金刚石复合片；
E、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热、保温，随炉温自然冷却；
F、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的硬质合金基体的直径稍大于安装槽的内径。
所述步骤A中金刚石微粉中包括以下重量百分比的组分：粒度为50-60μm的金刚石微粉30%-35%，粒度为30-40μm的金刚石微粉30%-35%，粒度为10-20μm的金刚石微粉5%-20%；所述步骤B中硬质合金基体包括以下组分：WC 83%-94%，Co 6%-17%。
所述步骤D中烧结温度为1300-1500℃，压力为5-6GPa，时间为4.5-5.5min，步骤E中加热温度为200-250 ℃，保温时间为5-10 min；步骤F中硬质合金基体直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。
所述步骤（3）的具体制备步骤为：
①钎焊前：对聚晶金刚石复合片的硬质合金基体和刀圈基体的齿孔用锉刀进行锉削，然后用丙酮进行清洗；
②钎焊时：将塔式滚刀圈整体预热到150-200℃，然后采用火焰局部加热的方式进行钎焊，钎焊温度为620-680℃，所使用的钎料为高强度的银基钎料；
③钎焊后：将塔式滚刀圈放入烘箱或保温箱中进行保温处理，减少冷却过程中产生的内应力。
本发明的有益效果是：与传统塔式滚刀圈相比，本发明中在刀圈基体钎焊聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片比硬质合金的强度高、耐磨性好，并且具有良好的自锐性，可以显著的提高施工质量和施工效率。刀圈基体采用表面感应淬火的方式进行热处理，使刀圈基体心部具有良好的冲击韧性≥60J/cm2，同时表面具有较高的硬度为HRC50-55，表面具有良好的耐磨性。采用钎焊的方式将刀圈基体与聚晶金刚石复合片连接在一起，可以保证在施工时聚晶金刚石复合片与刀圈基体的紧密结合，延长刀圈使用寿命。针对塔式滚刀圈的实际形状，设计了整体预热后局部火焰加热的钎焊工艺，可以实现对塔式滚刀圈基体与聚晶金刚石复合片的良好连接。本发明中的塔式滚刀圈，刀圈基体耐磨，刀齿具有良好的耐磨性和自锐性，工作稳定，效率高，寿命长，极大的节约了施工成本，经济效益显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明刀圈的结构示意图。
其中1-刀圈基体，2-刀齿。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种聚晶金刚石塔式滚刀圈，包括刀圈基体和均匀设置在刀圈基体外圆周表面的刀齿。其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.38%、Cr为0.9%、Mo为0.15%、Ni为0.2%、Cu为0.1%、杂质S≤0.02%、杂质P≤0.02%，Fe余量；
刀齿由硬质合金基体和聚晶金刚石耐磨层组成，聚晶金刚石耐磨层的各原料所占的质量百分比分别为：金刚石为80%，Si为7%，Co为13%。
塔式滚刀圈基体进行表面淬火处理，淬硬层深度为12mm，表面整体硬度为HRC50，心部硬度为HRC31，心部冲击韧性为60J/cm2以上。
一种新型聚晶金刚石塔式滚刀圈的制备方法，包括以下步骤：
（1）对塔式滚刀圈基体进行机械加工，进行表面淬火处理，刀圈基体圆周表面加工刀齿安装孔；
（2）将硬质合金基体加工为聚晶金刚石复合片，作为刀齿；
（3）将刀齿通过钎焊的方式均匀固定到刀圈基体的安装孔内；
步骤（1）的具体制作步骤为：
a、所述的塔式滚刀圈基体的各原材料依次经过电炉冶炼、电渣重熔、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工工序后获得塔式滚刀圈基体粗坯；
b、塔式滚刀圈基体粗坯经表面淬火处理、低温回火、精加工后获得表面整体硬度为HRC50，心部硬度为HRC31，心部冲击韧性为60J/cm2以上的刀圈基体。
步骤b中塔式滚刀圈基体粗坯表面淬火处理、低温回火的规范为：感应淬火时将刀圈基体外侧加热至950℃，用淬火油进行冷却；低温回火的回火温度为180℃，保温时间为1.5h。
步骤（2）的具体制作步骤为：
A、金刚石微粉的配料、混合：粒度为50μm的金刚石微粉30%，粒度为30μm的金刚石微粉30%，粒度为10μm的金刚石微粉20%，粒度为5μm的Co粉13%，剩余为Si粉；利用球磨机将以上粉料球磨10小时，混合均匀后放置在120℃的真空干燥箱下保存备用；
B、硬质合金基体：按图纸要求加工硬质合金基体，其中WC的重量含量为83%，Co的重量含量为17%；
C、在叶腊石块内将金刚石微粉与硬质合金组装：取1.0g混合好的金刚石微粉与硬质合金基体用压力机压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入导电钢圈组成的合成模内；
D、高温高压下合成：将组成的合成模放入六面顶金刚石压机内，在温度1300℃，压力5GPa，烧结4.5min，制成聚晶金刚石复合片；
E、喷砂处理：去除聚晶金刚石复合片表面的烧结物；
F、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热到200℃，保温10min后，随炉温自然冷却；
G、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的硬质合金基体的直径稍大于安装槽的内径，硬质合金基体直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。
步骤（3）的具体制备步骤为：
A、钎焊前，对PDC片的硬质合金基体和刀圈基体的齿孔用锉刀进行锉削，然后用丙酮进行清洗。
B、钎焊时，将塔式滚刀圈整体预热到150℃，然后采用火焰局部加热的方式进行钎焊，钎焊温度为620℃，所使用的钎料为高强度的银基钎料。
C、钎焊后，将塔式滚刀圈放入烘箱或保温箱中进行保温处理，减少冷却过程中产生的内应力。
实施例2
一种聚晶金刚石塔式滚刀圈，包括刀圈基体和均匀设置在刀圈基体外圆周表面的刀齿。其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.40%、Cr为1.1%、Mo为0.19%、Ni为0.22%、Cu为0.1%、杂质S≤0.02%、杂质P≤0.02%，Fe余量；
刀齿由硬质合金基体和聚晶金刚石耐磨层组成，聚晶金刚石耐磨层的各原料所占的质量百分比分别为：金刚石为81%，Si为7%，Co为12%。
塔式滚刀圈基体进行表面淬火处理，淬硬层深度为14mm，表面整体硬度为HRC53，心部硬度为HRC32，心部冲击韧性为60J/cm2以上。
一种新型聚晶金刚石塔式滚刀圈的制备方法，包括以下步骤：
（1）对塔式滚刀圈基体进行机械加工，进行表面淬火处理，刀圈基体圆周表面加工刀齿安装孔；
（2）将硬质合金基体加工为聚晶金刚石复合片，作为刀齿；
（3）将刀齿通过钎焊的方式均匀固定到刀圈基体的安装孔内；
步骤（1）的具体制作步骤为：
a、所述的塔式滚刀圈基体的各原材料依次经过电炉冶炼、电渣重熔、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工工序后获得塔式滚刀圈基体粗坯；
b、塔式滚刀圈基体粗坯经表面淬火处理、低温回火、精加工后获得表面整体硬度为HRC53，心部硬度为HRC32，心部冲击韧性为60J/cm2以上的刀圈基体。
步骤b中塔式滚刀圈基体粗坯表面淬火处理、低温回火的规范为：感应淬火时将刀圈基体外侧加热至900℃，用淬火油进行冷却；低温回火的回火温度为200℃，保温时间为2h。
步骤（2）的具体制作步骤为：
A、金刚石微粉的配料、混合：粒度为50μm的金刚石微粉33%，粒度为30μm的金刚石微粉33%，粒度为10μm的金刚石微粉15%，粒度为5μm的Co粉12%，剩余为Si粉；利用球磨机将以上粉料球磨10小时，混合均匀后放置在120℃的真空干燥箱下保存备用；
B、硬质合金基体：按图纸要求加工硬质合金基体，其中WC的重量含量为83%，Co的重量含量为17%；
C、在叶腊石块内将金刚石微粉与硬质合金组装：取1.5g混合好的金刚石微粉与硬质合金基体用压力机压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入导电钢圈组成的合成模内；
D、高温高压下合成：将组成的合成模放入六面顶金刚石压机内，在温度1400℃，压力5.5GPa，烧结5min，制成聚晶金刚石复合片；
E、喷砂处理：去除聚晶金刚石复合片表面的烧结物；
F、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热到230℃，保温10min后，随炉温自然冷却；
G、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的硬质合金基体的直径稍大于安装槽的内径，硬质合金基体直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。
步骤（3）的具体制备步骤为：
A、钎焊前，对PDC片的硬质合金基体和刀圈基体的齿孔用锉刀进行锉削，然后用丙酮进行清洗。
B、钎焊时，将塔式滚刀圈整体预热到180℃，然后采用火焰局部加热的方式进行钎焊，钎焊温度为650℃，所使用的钎料为高强度的银基钎料。
C、钎焊后，将塔式滚刀圈放入烘箱或保温箱中进行保温处理，减少冷却过程中产生的内应力。
实施例3
一种聚晶金刚石塔式滚刀圈，包括刀圈基体和均匀设置在刀圈基体外圆周表面的刀齿。其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.45%、Cr为1.2%、Mo为0.25%、Ni为0.25%、Cu为0.1%、杂质S≤0.02%、杂质P≤0.02%，Fe余量；
刀齿由硬质合金基体和聚晶金刚石耐磨层组成，聚晶金刚石耐磨层的各原料所占的质量百分比分别为：金刚石为82%，Si为6%，Co为12%。
塔式滚刀圈基体进行表面淬火处理，淬硬层深度为15mm，表面整体硬度为HRC55，心部硬度为HRC35，心部冲击韧性为60J/cm2以上。
一种新型聚晶金刚石塔式滚刀圈的制备方法，包括以下步骤：
（1）对塔式滚刀圈基体进行机械加工，进行表面淬火处理，刀圈基体圆周表面加工刀齿安装孔；
（2）将硬质合金基体加工为聚晶金刚石复合片，作为刀齿；
（3）将刀齿通过钎焊的方式均匀固定到刀圈基体的安装孔内；
步骤（1）的具体制作步骤为：
a、所述的塔式滚刀圈基体的各原材料依次经过电炉冶炼、电渣重熔、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工工序后获得塔式滚刀圈基体粗坯；
b、塔式滚刀圈基体粗坯经表面淬火处理、低温回火、精加工后获得表面整体硬度为HRC55，心部硬度为HRC34，心部冲击韧性为60J/cm2以上的刀圈基体。
步骤b中塔式滚刀圈基体粗坯表面淬火处理、低温回火的规范为：感应淬火时将刀圈基体外侧加热至900℃，用淬火油进行冷却；低温回火的回火温度为200℃，保温时间为2h。
步骤（2）的具体制作步骤为：
A、金刚石微粉的配料、混合：粒度为50μm的金刚石微粉31%，粒度为30μm的金刚石微粉31%，粒度为10μm的金刚石微粉20%，粒度为5μm的Co粉12%，剩余为Si粉；利用球磨机将以上粉料球磨10小时，混合均匀后放置在120℃的真空干燥箱下保存备用；
B、硬质合金基体：按图纸要求加工硬质合金基体，其中WC的重量含量为83%，Co的重量含量为17%；
C、在叶腊石块内将金刚石微粉与硬质合金组装：取2.0g混合好的金刚石微粉与硬质合金基体用压力机压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入导电钢圈组成的合成模内；
D、高温高压下合成：将组成的合成模放入六面顶金刚石压机内，在温度1500℃，压力6GPa，烧结5.5min，制成聚晶金刚石复合片；
E、喷砂处理：去除聚晶金刚石复合片表面的烧结物；
F、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热到250℃，保温10min后，随炉温自然冷却；
G、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的硬质合金基体的直径稍大于安装槽的内径，硬质合金基体直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。
步骤（3）的具体制备步骤为：
A、钎焊前，对PDC片的硬质合金基体和刀圈基体的齿孔用锉刀进行锉削，然后用丙酮进行清洗。
B、钎焊时，将塔式滚刀圈整体预热到200℃，然后采用火焰局部加热的方式进行钎焊，钎焊温度为680℃，所使用的钎料为高强度的银基钎料。
C、钎焊后，将塔式滚刀圈放入烘箱或保温箱中进行保温处理，减少冷却过程中产生的内应力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种塔式滚刀圈，其特征在于，包括刀圈基体和刀齿，所述刀圈基体包括以下重量百分比的原料：C 0.38-0.45%、Cr 0.9-1.2%、Mo 0.15-0.25%、Ni 0.2-0.30%、Cu≤0.30%、杂质S≤0.02%、杂质P≤0.02%，Fe余量；
所述刀圈基体进行表面淬火处理，淬硬层深度达10mm以上，表面整体硬度为HRC 50-55，心部硬度为HRC 30-35，心部冲击韧性≥60J/cm2。
2.根据权利要求1所述的塔式滚刀圈，其特征在于：所述刀齿包括硬质合金基体和聚晶金刚石耐磨层组成。
3.根据权利要求2所述的塔式滚刀圈，其特征在于，所述聚晶金刚石耐磨层包括以下重量百分比的组分：金刚石80-82%，Si 6-7%，Co 12-13%。
4.权利要求1-3任一项所述的塔式滚刀圈的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）对塔式滚刀圈基体进行机械加工，进行表面淬火处理，刀圈基体圆周表面加工刀齿安装孔；
（2）将硬质合金基体加工为聚晶金刚石复合片，作为刀齿；
（3）将刀齿通过钎焊的方式均匀固定到刀圈基体的安装孔内。
5.根据权利要求4所述的塔式滚刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中感应淬火处理步骤为：将刀圈基体外侧加热至900-950℃，用淬火油进行冷却；低温回火的回火温度为180-200℃，保温时间为1.5-2h。
6.根据权利要求4所述的塔式滚刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中具体步骤为：
A、金刚石混合微粉的配料、混合：将金刚石微粉、Co粉和Si粉混合均匀，利用球磨机球磨10 h，混合均匀后真空干燥；
B、硬质合金基体：按图纸要求加工硬质合金基体；
C、在叶腊石块内将金刚石混合微粉与硬质合金基体组装：将金刚石混合微粉与硬质合金基体压实组装；将组装压实后的基体置于叶腊石合成块中，放入合成模内；
D、高温高压下合成：将组成的合成模在高温高压下烧结合成制成聚晶金刚石复合片；
E、聚晶金刚石复合片去应力：聚晶金刚石复合片在真空炉或气氛保护炉加热、保温，随炉温自然冷却；
F、聚晶金刚石复合片的后加工：采用磨床进行机械加工后得到聚晶金刚石复合片，使聚晶金刚石复合片的硬质合金基体的直径稍大于安装槽的内径。
7.根据权利要求4所述的塔式滚刀圈的制备方法，其特征在于：所述步骤A中金刚石微粉中包括以下重量百分比的组分：粒度为50-60μm的金刚石微粉30%-35%，粒度为30-40μm的金刚石微粉30%-35%，粒度为10-20μm的金刚石微粉5%-20%；所述步骤B中硬质合金基体包括以下组分：WC 83%-94%，Co 6%-17%。
8.根据权利要求4所述的塔式滚刀圈的制备方法，其特征在于：所述步骤D中烧结温度为1300-1500℃，压力为5-6GPa，时间为4.5-5.5min；步骤E中加热温度为200-250 ℃，保温时间为5-10 min；步骤F中硬质合金基体直径公差为±0.01mm，高度公差为±0.05mm。
9.根据权利要求4所述的塔式滚刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的具体制备步骤为：
①钎焊前：对聚晶金刚石复合片的硬质合金基体和刀圈基体的齿孔用锉刀进行锉削，然后用丙酮进行清洗；
②钎焊时：将塔式滚刀圈整体预热到150-200℃，然后采用火焰局部加热的方式进行钎焊，钎焊温度为620-680℃；
③钎焊后：将塔式滚刀圈进行保温处理。
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