一种超细晶硬质合金钻头的制造方法及模具与流程

1.本发明涉及硬质合金钻头技术领域，尤其涉及一种超细晶硬质合金钻头的制造方法及模具。


背景技术：

2.硬质合金钻头是以硬质合金为原料，通过粉末冶金方法制备出的一种形状复杂的孔加工刀具，因其具备高硬度、优异的耐磨性和良好的抗冲击性能，广泛应用于制造业等领域。
3.传统方式生产该类型钻头一般采用一个整体硬质合金圆柱，通过大量长时间的磨加工来制作成成品，加工周期长，加工效率低；产品在磨加工的工序加工时间长，会产生大量的内应力无法释放，造成后期使用质量不稳定的问题。
4.另外一种生产方式是通过模具压制出钻头毛坯，再进行烧结成型。但是压制时难以控制生坯的密度分布，各部分的收缩系数不一样，变形量不均匀导致在烧结以及后续工序中出现分层和裂纹，影响产品质量。


技术实现要素：

5.针对现有技术方案中以传统方式制造硬质合金钻头产生大量内应力、生坯密度分布不均的问题，本发明提供了一种超细晶硬质合金钻头的制造方法及模具。
6.本发明提供如下的技术方案：一种超细晶硬质合金钻头的制造方法，包括以下步骤：s1，将原料粉末、石蜡成型剂、超细合金球和表面活性剂加入球磨机中研磨，同时开启冷却装置，球磨时间为50~59 h，球磨后制备成浆料，再经喷雾干燥造粒为粒度分布均匀的球形颗粒状的混合料；s2，配置模具，将模具的头部腔竖直朝上，柄部腔竖直朝下；将重量为a的混合料作为柄部混合料装满柄部腔后，再将重量为b的混合料作为头部混合料装入头部腔内；s3，控制下外冲、下内冲和上冲头对柄部、头部混合料进行双向压制，压制完成后，柄部腔的体积为a，头部腔的体积为b，使a/a=b/b，形成近终型生坯；s4，在惰性气体气氛下，对近终型生坯进行高压烧结，形成毛坯，再对毛坯进行深冷处理。
7.优选地，在步骤s1中，球磨24 h后加入表面活性剂。
8.优选地，在步骤s1中，所述混合料的粒度为0.2 mm。
9.优选地，在步骤s2中，控制下外冲和下内冲之间的高度，使装料结束后，所述头部混合料和柄部混合料的分界面与所述柄部腔的顶面平齐。
10.优选地，在步骤s3中，通过分别控制下外冲、下内冲和上冲头的行程来控制近终型生坯头部和柄部的体积。
11.优选地，在步骤s4中，在烧结时，用于承载近终型生坯的舟皿设置有通槽，所述通
槽与柄部间隙配合；将柄部插入通槽中、头部的底面与舟皿贴合，使近终型生坯悬吊在舟皿上。
12.优选地，在步骤s4中，在烧结时，惰性气体气氛的压力为5~6 mpa。
13.优选地，在步骤s4中，所述深冷处理的处理温度为-170~-180 ℃。
14.一种超细晶硬质合金钻头的模具，包括阴模，所述阴模设置有贯通的型腔，所述型腔内滑动连接有所述上冲头和下外冲，所述下外冲设置有压制腔，所述压制腔滑动连接有下内冲，所述下外冲和下内冲围成所述柄部腔，所述上冲头和阴模围成所述头部腔。
15.优选地，所述型腔设置有与钻头排屑槽对应的柱状的突出部，所述上冲头设置有与所述突出部配合的凹陷部，所述下外冲设置有与所述突出部配合的缺口。
16.本发明的有益效果是：1、通过减少球磨时间来降低原料的内应力和粉末能量，从而减小加工过程中毛坯产生裂纹的几率；2、通过分两次装料、控制头部和柄部的装料重量和压制体积，再通过下外冲、下内冲和上冲头的双向压制，使质量和外形不一致的头部与柄部的密度分布相对一致，在烧结时收缩系数均一，变形量一致，降低出现分层和裂纹的风险，同时大量降低了磨削量，降低成本。
附图说明
17.图1为本发明中模具的一个实施例的示意图。
18.图2为本发明中阴模的一个实施例的俯视图。
19.图3为本发明中上冲头的一个实施例的仰视图。
20.图4为本发明中下外冲的一个实施例的俯视图。
21.图5为本发明中下内冲的一个实施例的俯视图。
22.图6为本发明一个实施例在烧结时悬挂的示意图。
23.附图标记：1-头部腔，2-柄部腔，3-阴模，31-型腔，32-突出部，4-上冲头，41-凹陷部，5-下外冲，51-缺口，6-下内冲，7-舟皿，71-通槽。
具体实施方式
24.以下结合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟悉本领域的技术人在研读本说明书后能据以实施。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.实施例1本发明提供了一种超细晶硬质合金钻头的模具，如图1-5所示，模具包括阴模3，阴模3设置有贯通的型腔31，型腔31内滑动连接有上冲头4和下外冲5，下外冲5设置有压制腔，压制腔滑动连接有下内冲6，下外冲5和下内冲6围成柄部腔2，上冲头4和阴模3围成头部腔1。头部腔1和柄部腔2分别与钻头的头部和柄部对应，上冲头4的底部端面设置有与钻头头部顶面对应的纹路。
26.型腔31设置有与钻头排屑槽对应的柱状的突出部32，上冲头4设置有与突出部32配合的凹陷部41，下外冲5设置有与突出部32配合的缺口51，在压制结束后，生坯上自然生成排屑槽，以减少后续工序中的磨削量。
27.阴模3可采用45#钢制作，淬火硬度为hrc45-50；上冲头4和下外冲5的冲头材料可
采用9crsi/yg15，下内冲6的冲头材料可采用cr12mov，热处理硬度hrc60-65。阴模3与下外冲5、上冲头4双边过盈量为3
‰
。
28.实施例2本发明提供了一种超细晶硬质合金钻头的制造方法，包括以下步骤：s1，将wc粉、co粉等原料粉末、石蜡成型剂、一定量的直径为6 mm的超细合金球装入球磨机内进行球磨，球磨24 h后加入表面活性剂，再继续球磨26 h，总体球磨时间为50 h，在整个球磨过程中开启冷却装置，利用初始温度为10℃的冷却水对球磨机筒体进行降温。球磨后原料粒度为0.6 μm，球磨结束后将原料制备为料浆，输送至喷雾塔内干燥制粒，制成直径为0.2 mm的球形颗粒状的混合料。
29.添加表面活性剂可以减少石蜡和原料粉末的分离，提高石蜡对原料粉末的包裹作用，促进石蜡成型剂在原料粉末表面的铺展，大大提高原料粉末的热力学稳定性。降温可避免石蜡在高温下挥发，防止原料粉末无法被石蜡成型剂均匀包裹后吸氧导致微观脱碳。
30.s2，配置模具，将模具的头部腔1竖直朝上，柄部腔2竖直朝下，将9.8g的混合料作为柄部混合料装入柄部腔内，调整下外冲5和下内冲6之间的高度，使柄部混合料刚好装满柄部腔，再将19.9g的混合料作为头部混合料装入头部腔内，柄部混合料和头部混合料的分界面与柄部腔的顶面平齐。
31.s3，控制上冲头下移5mm，压制头部混合料的顶面，控制下外冲上移13.4 mm，压制头部混合料的底面，控制下内冲上移10 mm，压制柄部混合料的底面，对头部混合料和柄部混合料形成双向压制；最终使柄部腔的体积为2.73 cm3，头部腔的体积为5.55 cm3，获得近终型生坯，生坯的柄部和头部的密度均为3.58 g/cm3。
32.s4，将生坯的柄部放入舟皿的通槽中，使头部的底面与舟皿贴合，生坯悬吊在舟皿上，如图6所示，与现有技术中生坯直接放在舟皿上相比，可避免烧结过程中柄部产生塌陷变形，从而减小变形量。将舟皿放入烧结炉中，向烧结炉内部输入压力为5 mpa的惰性气体，使生坯在惰性气体气氛中进行烧结，消除内部≤10 μm的孔隙，以消除一部分内应力。烧结完成后，再将送入冷冻箱中进行深冷处理，在-170 ℃的温度下保温2 h，得到毛坯。深冷处理进一步消除了毛坯在之前的步骤中产生的内应力。
33.实施例3本发明提供了一种超细晶硬质合金钻头的制造方法，包括以下步骤：s1，将wc粉、co粉等原料粉末、石蜡成型剂、一定量的直径为6 mm的超细合金球装入球磨机内进行球磨，球磨24 h后加入表面活性剂，再继续球磨28 h，总体球磨时间为52 h，在整个球磨过程中开启冷却装置，利用初始温度为10℃的冷却水对球磨机筒体进行降温。球磨后原料粒度为0.6 μm，球磨结束后将原料制备为料浆，输送至喷雾塔内干燥制粒，制成直径为0.2 mm的球形颗粒状的混合料。
34.s2，配置模具，将模具的头部腔1竖直朝上，柄部腔2竖直朝下，将12g的混合料作为柄部混合料装入柄部腔内，调整下外冲5和下内冲6之间的高度，使柄部混合料刚好装满柄部腔，再将36g的混合料作为头部混合料装入头部腔内，柄部混合料和头部混合料的分界面与柄部腔的顶面平齐。
35.s3，控制上冲头下移5 mm，压制头部混合料的顶面，控制下外冲上移15.6 mm，压制头部混合料的底面，控制下内冲上移11.4 mm，压制柄部混合料的底面，对头部混合料和柄
部混合料形成双向压制；最终使柄部腔的体积为2.28 cm3，头部腔的体积为6.82 cm3，获得近终型生坯，生坯的柄部和头部的密度均为5.27 g/cm3。
36.s4，将生坯的柄部放入舟皿的通槽中，使头部的底面与舟皿贴合，生坯悬吊在舟皿上，如图6所示，与现有技术中生坯直接放在舟皿上相比，可避免烧结过程中柄部产生塌陷变形，从而减小变形量。将舟皿放入烧结炉中，向烧结炉内部输入压力为5.5 mpa的惰性气体，使生坯在惰性气体气氛中进行烧结，消除内部≤10 μm的孔隙，以消除一部分内应力。烧结完成后，再将送入冷冻箱中进行深冷处理，在-175 ℃的温度下保温2 h，得到毛坯。深冷处理进一步消除了毛坯在之前的步骤中产生的内应力。
37.实施例4本发明提供了一种超细晶硬质合金钻头的制造方法，包括以下步骤：s1，将wc粉、co粉等原料粉末、石蜡成型剂、一定量的直径为6 mm的超细合金球装入球磨机内进行球磨，球磨24 h后加入表面活性剂，再继续球磨35 h，总体球磨时间为59 h，在整个球磨过程中开启冷却装置，利用初始温度为10 ℃的冷却水对球磨机筒体进行降温。球磨后原料粒度为0.6 μm，球磨结束后将原料制备为料浆，输送至喷雾塔内干燥制粒，制成直径为0.2 mm的球形颗粒状的混合料。
38.s2，配置模具，将模具的头部腔1竖直朝上，柄部腔2竖直朝下，将21.9g的混合料作为柄部混合料装入柄部腔内，调整下外冲5和下内冲6之间的高度，使柄部混合料刚好装满柄部腔，再将63.6g的混合料作为头部混合料装入头部腔内，柄部混合料和头部混合料的分界面与柄部腔的顶面平齐。
39.s3，控制上冲头下移5 mm，压制头部混合料的顶面，控制下外冲上移30.6 mm，压制头部混合料的底面，控制下内冲上移18.6 mm，压制柄部混合料的底面，对头部混合料和柄部混合料形成双向压制；最终使柄部腔的体积为1.523 cm3，头部腔的体积为4.417 cm3，获得近终型生坯，生坯的柄部和头部的密度均为14.39 g/cm3。
40.s4，将生坯的柄部放入舟皿的通槽中，使头部的底面与舟皿贴合，生坯悬吊在舟皿上，如图6所示，与现有技术中生坯直接放在舟皿上相比，可避免烧结过程中柄部产生塌陷变形，从而减小变形量。将舟皿放入烧结炉中，向烧结炉内部输入压力为6 mpa的惰性气体，使生坯在惰性气体气氛中进行烧结，消除内部≤10 μm的孔隙，以消除一部分内应力。烧结完成后，再将送入冷冻箱中进行深冷处理，在-180℃的温度下保温2h，得到毛坯。深冷处理进一步消除了毛坯在之前的步骤中产生的内应力。
41.球磨时间影响裂纹的生成。如果球磨时间过长，在超细合金球的冲击、摩擦作用下，会使得原料粉末晶粒度降低、晶格歪扭、畸变、加工硬化以及内应力增大，粉末能量大大提高，在压制、烧结以及后续的加工过程中，造成微裂纹的几率增加。采用本发明提供的制造方法，在不同的球磨时间下分别制造多个毛坯形成多个对比例，对实施例2、3、4和对比例获得的多批次毛坯进行检测，得到的数据如表1所示，由表1可知，球磨时间超过60小时后，因为物料的晶粒度降低后，hra硬度增加，会导致在压制时因压制致密性、压制压力过大产生裂纹。
42.表1：不同球磨时间下毛坯检测表 球磨时间hhra硬度是否产生裂纹实施例25092.2-92.5否
实施例35292.5-92.7否对比例15692.5-92.7否实施例45992.5-92.7否对比例26092.6-92.9是对比例37292.8-93.1是以上为本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。