專利名稱：一種新型孕鑲釬焊金剛石鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種釬焊金剛石磨粒的孕鑲(多層釬焊)鉆頭制造技術(shù)。利用這種釬焊金剛石技術(shù)制作冶金結(jié)合金剛石孕鑲鉆頭壽命長，可用于地質(zhì)、礦山的勘探鉆孔， 石材、混凝土及玻璃等領(lǐng)域的材料加工，可以顯著提高鉆頭壽命，降低施工成本。
背景技術(shù)：
制作金剛石工具所用的金剛石磨粒細(xì)小，一般工業(yè)用的金剛石磨粒的尺寸常在 0. I-Imm左右。大多數(shù)的金剛石工具需要依靠金屬作為基體，將金剛石磨粒通過機(jī)械鑲嵌在 胎體中，形成各種不同金剛石工具。但是，由于金剛石與金屬的界面能很高，使得金剛石與 金屬間的浸潤性和粘結(jié)能力很差，結(jié)合強(qiáng)度低，金剛石磨粒容易脫落。人們對金剛石與金屬的浸潤性做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)含有鈦、鉻、釩、鎳等元素的 銅、銀合金，在高真空環(huán)境下對金剛石有較好的浸潤性。因此，常將其用于金剛石工具的制 作。但是，高真空的銅、銀合金釬焊工具對工作高溫度很敏感，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前常見的金剛石鉆頭多為利用電鍍或燒結(jié)工藝制作。這樣制作的金剛石鉆頭中 的金剛石磨粒與鍍層金屬或胎體材料之間都不存在牢固的冶金結(jié)合。金剛石磨粒只是被機(jī) 械地鑲嵌在鍍層或胎體中。由于結(jié)合強(qiáng)度較小，金剛石磨粒的出刃量小，容屑空間小，金剛 石磨粒容易脫落，利用率較低。為了解決這一問題，就要提高金剛石與金屬間的結(jié)合強(qiáng)度。最好的方法就是在金 剛石表面與基體之間形成碳化物的過渡層。如此的化學(xué)結(jié)合要比傳統(tǒng)的機(jī)械包鑲牢固得 多。該過渡層可以由金剛石與活性金屬間的相互擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)得到。常見的活性金屬 有鈦、釩、鉻、鉬、鋯、鎢等。在高溫條件下，金剛石會(huì)與周圍的活性金屬發(fā)生反應(yīng)，形成碳化 物。為了在金剛石表面形成碳化物，可以先將含活性金屬釬焊粉涂覆包裹在金剛石表面，這 樣在加熱時(shí)，就可以得到包裹碳化物過渡層的金剛石磨粒。到了上個(gè)世紀(jì)90年代，國內(nèi)外開始研究利用釬焊技術(shù)制作金剛石制品。多數(shù)的研 究是針對單層金剛石釬焊，即在基體上釬焊一層金剛石磨粒。雖然單層釬焊的金剛石制品 的結(jié)合強(qiáng)度提高了，金剛石磨粒的出刃高，容屑空間大，但是隨著金剛石磨粒的磨損、失效 后，該工具也就失效了，存在壽命短的問題。為了解決這一問題我們提出了一種多層釬焊的制作工藝。既利用釬焊工藝制造釬 焊金剛石磨粒，金剛石磨粒釬焊合金內(nèi)側(cè)與金剛石實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵結(jié)合，釬焊金剛石磨粒金屬 表面與胎體之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，鉆削過程中，金剛石有較高的出刃量，較大的容屑空間，提 高了金剛石的利用率；又借鑒孕鑲金剛石鉆頭的制作工藝，形成釬焊磨粒在工作層內(nèi)均勻 分布，隨著前層金剛石的磨損，后層釬焊金剛石不斷出刃，顯著的延長孕鑲釬焊金剛石鉆頭 的壽命。新型孕鑲釬焊(多層釬焊)金剛石工具技術(shù)具有獨(dú)創(chuàng)性，是傳統(tǒng)金剛石工具制造 技術(shù)的變革和創(chuàng)新。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種釬焊金剛石磨粒的金剛石鉆頭的制備方法，利用該方法 制備的金剛石鉆頭具有金剛石磨粒與胎體的結(jié)合強(qiáng)度高，金剛石磨粒的出刃量大，鉆進(jìn)時(shí) 效快，壽命長的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案大致如下先通過在金剛石磨粒(圖1中的1)表面包裹一層釬 料(圖1中的2)，形成釬料包裹的球狀磨粒；經(jīng)過篩分后，選取一定粒度的包裹磨粒進(jìn)行第 一次釬焊，在金剛石磨粒與釬料之間形成良好的結(jié)合過渡層(圖2或圖3中的3)；將燒結(jié) 后的磨粒與一定量的胎體粉末混合均勻，裝入已經(jīng)填好水口的石墨模具中，合上鉆頭鋼體 (圖4中的4)，按熱壓成型技術(shù)燒結(jié)成鉆頭形狀；最后，經(jīng)脫模、機(jī)加工至鉆頭外型尺寸即 可。
在上述的技術(shù)方案中，關(guān)鍵在于兩次燒結(jié)過程的準(zhǔn)備和工藝。第一次的釬焊燒結(jié)是按以下方式實(shí)現(xiàn)的先在金剛石磨粒的表面均勻地噴上一層 霧化的粘結(jié)劑，然后在粘結(jié)劑的幫助下包裹一層釬料粉末。該釬料粉末中主要含有Ni和Cr 等元素，其中Cr易于在金剛石表面形成碳化物的過渡層(圖2或圖3中的3)，這種過渡層 與金剛石磨粒之間有良好的冶金結(jié)合，將制得的磨粒經(jīng)篩網(wǎng)篩分，獲得所需的磨粒大小。最 后，將獲得的包裹磨粒放入真空爐或有保護(hù)氣氛的爐中，在1025-1050°C的溫度下釬焊燒結(jié) 5-10Min,即可得到釬焊的金剛石包裹球(圖2)或焊刺金剛石磨粒(圖3)。第二次的燒結(jié)過程是利用上一步得到的釬焊金剛石磨粒，與一定量的胎體粉末一 起，加入少量乙醇，混合均勻。胎體粉末中含有WC和Cu，作為填充和粘結(jié)粉末。將混合均勻 的工作層物料(圖4中的6)裝入已經(jīng)鑲嵌了水口的石墨模具中，搗實(shí)；再由一定量不含金 剛石的胎體粉末作為非工作層部分(圖4中的5)裝填在上部；最后合上鉆頭的鋼體毛坯， 送入熱壓燒結(jié)設(shè)備中，加壓燒結(jié)成鉆頭形狀。最后按鉆頭的外形要求，加工各部分的尺寸至圖紙要求即可。通過本發(fā)明方法制作的金剛石鉆頭具有金剛石磨粒與胎體的結(jié)合強(qiáng)度高，金剛石 磨粒的出刃高，金剛石鉆頭的時(shí)效快、壽命長的特點(diǎn)。


圖1金剛石包裹球的示意2球形釬焊金剛石磨粒示意3焊刺金剛石磨粒示意4金剛石鉆頭工作部分的結(jié)構(gòu)圖具體的實(shí)施方案1、制作36mm的試驗(yàn)用地質(zhì)鉆頭(1)金剛石包裹磨粒的制備選擇30-40目的金剛石磨粒，先噴涂霧化的粘結(jié)劑， 再包裹一層活性的釬焊金屬；反復(fù)這一過程直到磨粒直徑達(dá)到1-1. 5mm即可。(2)金剛石磨粒的第一次釬焊燒結(jié)將制備好的金剛石包裹磨粒放入真空爐中， 加熱升溫到1025-1050°C，保溫一段的時(shí)間，然后隨爐冷卻即可。(3)金剛石鉆頭的第二次成型燒結(jié)按所需的金剛石濃度稱取金剛石包裹球，力口 少量酒精與胎體粉末混合得到含所需金剛石濃度的工作層物料。將其填入鉆頭模具中，再稱取少量胎體粉末作為非工作層，裝入模具，合上鋼體，送入熱壓燒結(jié)爐中，加熱到970°C，保溫5分鐘，隨空氣冷卻。(4)最后進(jìn)行機(jī)加工，到圖紙要求尺寸即可。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果說明使用該技術(shù)制作的鉆頭的平均時(shí)效是普通孕鑲鉆頭的兩 倍，達(dá)到了高效鉆進(jìn)的目的。2、制作75mm的地質(zhì)鉆頭75mm的地質(zhì)鉆頭的制作方法與試驗(yàn)鉆頭基本一致，只是金剛石的濃度略有不同， 金剛石的濃度主要通過釬焊金剛石磨粒與胎體粉末的混合比例來調(diào)節(jié)。經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)踐證明該種工藝制作的鉆頭壽命和時(shí)效均提高到普通孕鑲鉆頭的 兩倍以上。
權(quán)利要求
一種釬焊金剛石磨粒的孕鑲鉆頭，其制作方法包括金剛石顆粒的預(yù)制，真空釬焊和熱壓燒結(jié)等工藝過程。其特征在于先在金剛石顆粒上包裹一層較均勻釬焊粉或粘點(diǎn)狀不連續(xù)釬焊粉，然后經(jīng)真空釬焊制備釬焊金剛石磨粒；再與胎體粉末混合均勻，裝入模具中，最后按熱壓燒結(jié)的工藝制作孕鑲釬焊金剛石鉆頭。
2.按權(quán)利1所述，其特征在于，制作金剛石鉆頭所用的金剛石顆粒預(yù)先通過包裹釬焊 粉末，并經(jīng)過釬焊成為球狀金剛石顆?；蚝复探饎偸w粒(統(tǒng)稱釬焊金剛石磨粒)。
3.按權(quán)利1所述，將經(jīng)過釬焊的金剛石磨粒與胎體粉末均勻混合后，裝入磨具，進(jìn)行第 二次熱壓燒結(jié)。
4.按權(quán)利2所述，所用釬焊粉末的主要成分是Ni、Cr和B，其主要成分Cr= 7%，B = 3.0%，余量主要為Ni = 83-90 %。
5.按權(quán)利2所述，釬焊工藝需控制的溫度1025-1050°C、保溫時(shí)間5_10Min。
6.按權(quán)利3所述，對金剛石工具中金剛石濃度的調(diào)節(jié)主要取決于兩個(gè)方面金剛石顆 粒包裹的釬焊粉末的多少；與胎體粉末混合時(shí)的比例大小。
7.按權(quán)利3所述，燒結(jié)主要工藝參數(shù)溫度950-970°C，保溫3_5Min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種釬焊金剛石磨粒的孕鑲鉆頭的制作工藝，主要包括一次金剛石釬焊預(yù)處理工藝與一次孕鑲燒結(jié)過程。第一次在金剛石包裹、釬焊預(yù)處理的過程中，通過釬焊工藝使金剛石顆粒與釬料之間產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合層；第二次燒結(jié)是在金剛石鉆頭的成型過程中，利用模具，加壓燒結(jié)成型。本發(fā)明在保留現(xiàn)有的制作工藝下，通過對金剛石顆粒的釬焊預(yù)處理，增強(qiáng)了金剛石與胎體的結(jié)合強(qiáng)度，從而減少金剛石的脫落、增加出刃量，達(dá)到高效長壽命的目的。本發(fā)明除用于金剛石鉆頭的制作，還可用于相關(guān)金剛石制品的制造。
文檔編號(hào)E21B10/46GK101824968SQ20101017055
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者卜長根 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)