专利名称：一种金刚石钻头的制备方法及其烧结装置的制作方法
技术领域：
本发明属于ー种钻头制备方法及其烧结装置，具体涉及ー种孕镶金刚石钻头的制备方法及其烧结装置。
背景技术：
孕镶金刚石钻头是地质勘探必不可少的工具，工程需求量大。当前国内生产孕镶金刚石钻头的主要方法是粉末冶金法，其中主要エ序环节包括有四步:即:配料装模、冷压成型、加热烧结和后序处理，其中“冷压成型”和“加热烧结”两个エ艺环节分别使用独立的液压设备和中频感应加热设备进行，人工操作贯通エ序全过程。现有金刚石钻头制造エ艺存在如下三点不足:一是钻头压烧制造过程中，冷压成型和加热烧结是分开进行的，エ序繁杂，周期较长。ニ是冷压成型为单向刚性模压，压カ固定不变，钻头胎体内部压カ梯度大，钻头胎体密度提高受限，且不均匀。三是加热烧结为简单的中频感应加热，频率固定不可调，无法同时满足配方材料中的不同金属粉末的烧结温度要求，金刚石石墨化现象无法控制，导致钻头胎体烧结强度和质量也存在局限性。因此，现有钻头生产制造エ艺效率不高，其质量受人工操作因素影响波动大，不够稳定。CN102274972公开了 “ー种环状超薄金刚石钻头的制造方法”，该方法主要包括钢体制作、配混料、粉料填装、加热加压烧结、后续加工等エ序。其中加热加压烧结采用高频焊机给模具加热，粉料直接烧结到钢体上。该方法将“压制成型”与“加热烧结”合ニ为ー同时进行，減少了操作エ序和制备时间，减轻了操作強度，但由于高频感应频率不可调，カロ热温度不能同时满足配制粉料中的不同金属粉末的烧结要求，制造出的钻头胎体固结度有限，在烧结过程中金刚石烧损严重。CN101144370提供了ー种“热压高磷铁基金刚石钻头的制备方法”，该方法包括备料、配粉和混料、装摸、热压烧结等エ序，其中热压烧结采用中频电炉烧结。该方法采用热压エ序，減少了操作エ序和制备时间，减轻了操作強度，但由于热压过程为单向刚性施压，配制粉料中存在压カ梯度，胎体的不同部位密度不均匀，制造出的钻头胎体固结度和使用寿命也极为有限。为了提高金刚石钻头的生产效率和产品质量，本申请人曾尝试采用加大冷压成型压力，提高烧结设备的温控和精度等办法来改善钻头产品的质量，虽然产品质量有所提高，但仍存在生产周期延长，手工操作エ序增多，产品质量不稳定等不足，综合效果不够理想。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供ー种采用变中频烧结、双向振动施压、双轨温度和压カ曲线控制エ艺制备金刚石钻头的方法。本发明的另ー个目的是提供ー种采用变中频烧结、双向振动施压、双轨曲线控制エ艺制备金刚石钻头的专用烧结装置。本发明的目的是这样实现的:一种金刚石钻头的制备方法，包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序，其特征在于该制备方法热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制，将预先配制的合金粉与金刚石按配比混合均匀得金属粉料，填装入模具置于变中频感应圈中，边加热边实施双向振动式加压烧结，其温度和压力实施双轨曲线控制，经保温退模后为半成品，再经后续处理得成品；
所述的配料装模工序:所述的合金粉与金刚石的配比为1:10 15 ;
所述的热压烧结工序:所述的热压振动烧结温度为400 950°C，压力为10 70KN，压头振动频率为700 1000次/分，振幅为4 9mm ;
所述的保温退模工序:将热压烧结后的石墨模具置于珍珠岩沙石中，保温冷却至室温后退出模具；
所述的后续处理工序:脱模后的钻头无需机械加工开水口，直接打磨、抛光、喷漆、打标、包装即成金刚石钻头成品。所述的热压烧结工序，包括如下步骤:
①将填装有金属粉料的石墨模具，置于作为中频电源发生器的输出部分的感应圈中、上下压头之间；
②将烧结装置设置为自动双向振动压制、自动变中频烧结程序，按工艺参数要求设置好各段温度与压力参数值，将控制曲线保存待执行；
③启动烧结装置，对石墨模具边加热边实施双向振动式加压，其温度和压力实施双轨曲线控制工艺，热压烧结温度480 840°C，压力12 65KN，压头振动频率800 900次/分，振幅5 8mm ；
所述双轨温度和压力控制曲线之一为:温度从480°C 840°C斜率升高，到3分钟时升高到840°C，在3 7分钟内保温4分钟，在7 8.5分钟时间内斜率降温，到8.5分钟时，停止加热，油缸回程；压力从13kN 55kN斜率升高，到3分钟时升高到55kN，在3 8.5分钟时间内保压，到8.5分钟时油缸回程；
所述双轨温度和压力控制曲线之二为:温度从480°C 690°C斜率升温，到2分钟时达到690°C，在2 3分钟内保温I分钟，在3 4分钟时间内斜率升温，到4分钟达到860°C，在4 6分钟内保温2分钟，在6 7分钟时间内斜率降温到740°C，在7 8分钟内保温I分钟，在8 8.5分钟内斜率降温，到8.5分钟后停止加热，油缸回程；压力从13kN 45kN斜率升高，到2分钟时升到45kN，从2 3分钟保压I分钟，从3 4分钟压力斜率升高到65kN,从4 6分钟保压2分钟，在6 7分钟压力斜率降低，到7分钟时降到45kN，在7
8.5分钟时间内保压，到8.5分钟油缸回程。一种制备金刚石钻头的烧结装置，包括热压机、中频电源和控制柜，热压机的下部设置有液压系统，中部设置有上、下压头、感应圈、红外测温仪，控制柜外部设置有面板和操作台，内部设置有控制器，控制器包括单片机、温控芯片和可控硅触发模块，单片机与液压系统、红外测温仪和温控芯片连接，温控芯片与可控硅触发模块连接，可控硅触发模块与中频电源连接，中频电源与感应圈连接，其特征在于所述的液压系统为带振动装置的振动液压系统，热压机的上、下两个压头分别与振动液压系统连接，所述的中频电源为变中频电源发生器。所述的变中频电源发生器设置有至少两路变频电路。本发明装置由控制器、红外测温仪、中频电源和温控芯片组成温度闭环控制，由控制器、振动液压系统和可控硅触发模块组成压力闭环控制。工作时，控制器利用红外测温仪实时检测烧结的温度，并通过控制器调节中频电源的加热电流和工作频率，使之按照系统设定的温度曲线运行。同时，利用振动液压系统中的压カ传感器实时检测液压系统的油缸压力，并通过控制器调节电液比例阀和可控硅触发模块，使之按照系统设定的压カ曲线运行。与现有技术相比，本发明的优点是:
1、在一台设备上集成了加热、液压和振动系统，执行“双向振动热压烧结”过程，同时在热压烧结过程中，运用双轨温度和压カ曲线控制，满足不同用户及不同配方材料的エ艺要求，保证生产エ艺过程全自动化和产品质量的一致性，大大提高了钻头的生产效率和使用寿命。2、将“热”操作由“恒中频”加热变为“变中频”加热，合理利用不同频率加热作用的表热和透热，来加热胎体不同部位的金属粉料，有效提高胎体烧结强度，保护金刚石颗粒避免石墨化，并提高了烧结温度适用性，保障实现金刚石钻头产品质量稳定，实现制造过程节能环保。3、将“压”操作由“单向恒压”变为“双向振动施压”，即在恒压控制信号的基础上叠加有一定频率和幅值的振动信号，从而产生振动式加压作用，实现烧结过程中的振动压制，利用振动冲击力压实和振动间隙排气，有效提高压坯的致密度。
图1为本发明制备エ艺流程框图。图2为本发明双轨温度和压カ曲线图之一。图3为本发明双轨温度和压カ曲线图之ニ。图4为本发明烧结装置结构示意图。图5为本发明烧结装置电路连接框图。图6为本发明烧结装置控制原理框图。图7为本发明中频电源电路框图。图中:热压机1、感应圈11、上压头12、下压头13、液压系统14、压カ表15、中频电源2、控制按钮21、控制柜3、面板31、操作台32、控制器33、单片机33a、温控芯片33b、可控硅触发模块33c、红外测温仪4。
具体实施例方式以下实施例结合附图，对本发明作进ー步说明。參见图1，一种金刚石钻头的制备方法，包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序。配料装模エ序是将预先配制的合金粉与金刚石按1:10 15的配比混合均匀得金属粉料，填装入石墨模具，本实施例配比为1:12。热压烧结エ序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压カ曲线控制エ艺，对置于变中频感应圈的石墨模具实施双向振动式热压烧结，烧结温度为400 950°C，压カ为10 70KN，压头振动频率为700 1000次/分，振幅为4 9_。保温退模エ序是将热压烧结后的石墨模具置于珍珠岩沙石中，保温冷却至室温后退出模具为半成品。后续处理工序是将脱模后的钻头半成品无需机械加工开水口，直接打磨、抛光、喷漆、打标、包装成金刚石钻头成品。本实施例热压烧结工序的具体步骤是:将填装有金属粉料的石墨模具，置于作为中频电源输出部分的感应圈中、上下压头之间；将烧结装置设置为自动双向振动压制、自动变中频烧结，并按工艺参数要求设置好各段温度与压力参数值，控制曲线保存待执行状态；启动热压机和中频电源，对石墨模具边加热边实施双向振动式加压，热压烧结温度480 8600C，压力12 65KN，压头振动频率设置为850次/分，振幅设置为7mm。在热压烧结过程中，温度和压力实施双轨曲线控制工艺。双轨温度和压力控制曲线之一为:温度从480°C 840°C斜率升高，到3分钟时升高到840°C，在3 7分钟内保温4分钟，在7 8.5分钟时间内斜率降温，到8.5分钟时，停止加热，油缸回程；压力从13kN 55kN斜率升高，到3分钟时升高到55kN，在3 8.5分钟时间内保压，到8.5分钟时油缸回程(参见图2)。双轨温度和压力控制曲线之二为:温度从480°C 690°C斜率升温，到2分钟时达到690°C，在2
3分钟内保温I分钟，在3 4分钟时间内斜率升温，到4分钟达到860°C，在4 6分钟内保温2分钟，在6 7分钟时间内斜率降温到740°C，在7 8分钟内保温I分钟，在8
8.5分钟内斜率降温，到8.5分钟后停止加热，油缸回程；压力从13kN 45kN斜率升高，到
2分钟时升到45kN，从2 3分钟保压I分钟，从3 4分钟压力斜率升高到65kN，从4 6分钟保压2分钟，在6 7分钟压力斜率降低，到7分钟时降到45kN，在7 8.5分钟时间内保压，到8.5分钟油缸回程(参见图3)。参见图4 7，一种制备金刚石钻头的烧结装置，包括热压机1、中频电源2和控制柜3，热压机I的下部设置有液压系统11，中部设置有上、下压头12和13、感应圈14、红外测温仪4，上部设置有压力表15。控制柜3外部设置有面板31和操作台32，内部设置有与面板31和操作台32连接的控制器33。控制器33包括单片机33a、温控芯片33b和可控硅触发模块33c，单片机33a与液压系统14、红外测温仪4和温控芯片33b连接，温控芯片33b与可控硅触发模块33c连接，可控硅触发模块33c与中频电源2连接，中频电源2与感应圈14连接。热压机的液压系统11为带振动装置的振动液压系统，振动频率为700 1000次/分，振幅4 9mm,本实施例振动频率设置为850次/分,振幅设置为7mm。热压机的上、下两个压头12和13分别与振动液压系统11连接。振动液压系统11中还设置有压力传感器和电液比例阀。中频电源2为有至少两路中频谐振电路的变中频电源发生器，本实施例设置了三路中频谐振电路，通过自动转换开关，按温度需要自动切换实现变频烧结。本发明烧结装置采用了数字的智能PID控制技术，设置并存储了 100组以上的温度和压力曲线数据，在烧结过程中，能够按照预先设定的温度和压力曲线运行，可根据工艺需要随时选用和修改，多次重复烧结时，能保证工艺参数的稳定性和一致性，并具有自诊断功能，能够自动监测系统的运行故障，包括过热、缺水、通讯错误等，能够给予故障报警信号并停机待修。本发明烧结装置温度和压力的控制以及数据的处理由专用软件实现，由于软件不属本发明保护范围，在此不作详细说明。本发明制作工艺简单，烧结装置采用全数控控制，自动化程度高，烧结用石墨模具尺寸小，节能降耗。采用本发明制备工艺和烧结装置制造孕镶金刚石钻头，可使钻头平均制造时间缩短40%，电能消耗减少36%，工作寿命提高40%以上。
权利要求
1.一种金刚石钻头的制备方法，包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序，其特征在于该制备方法热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制工艺，将预先配制的合金粉与金刚石按配比混合均匀得金属粉料，填装入模具置于变中频感应圈中，边加热边实施双向振动式加压烧结，其温度和压力实施双轨曲线控制，经保温退模后为半成品，再经后续处理工序得成品； 所述的配料装模工序:所述的合金粉与金刚石的配比为1:10 15 ; 所述的热压烧结工序:所述的热压振动烧结温度为400 950°C，压力为10 70KN，压头振动频率为700 1000次/分，振幅为4 9mm ; 所述的保温退模工序:将热压烧结后的石墨模具置于珍珠岩沙石中，保温冷却至室温后退出模具； 所述的后续处理工序:脱模后的钻头无需机械加工开水口，直接打磨、抛光、喷漆、打标、包装即成金刚石钻头成品。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头的制备方法，其特征在于所述的热压烧结工序包括如下步骤: ①将填装有金属粉料的石墨模具，置于作为变中频电源发生器的输出部分的感应圈中、上下压头之间； ②将烧结装置设置为自动双向振动压制、自动变中频烧结程序，按工艺参数要求设置好各段温度与压力参数值，将控制曲线保存待执行； ③启动烧结装置，对石墨模具边加热边实施双向振动式加压，其温度和压力实施双轨曲线控制工艺，热压烧结温度480 840°C，压力12 65KN，压头振动频率800 900次/分，振幅5 8mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种金刚石钻头的制备方法，其特征在于所述双轨温度和压力控制曲线之一为:温度从480°C 840°C斜率升高，到3分钟时升高到840°C，在3 7分钟内保温4分钟，在7 8.5分钟时间内斜率降温，到8.5分钟时，停止加热，油缸回程；压力从13kN 55kN斜率升高，到3分钟时升高到55kN，在3 8.5分钟时间内保压，到8.5分钟时油缸回程；所述双轨温度和压力控制曲线之二为:温度从480°C 690°C斜率升温，到2分钟时达到690°C，在2 3分钟内保温I分钟，在3 4分钟时间内斜率升温，到4分钟达到860°C，在4 6分钟内保温2分钟，在6 7分钟时间内斜率降温到740°C，在7 8分钟内保温I分钟，在8 8.5分钟内斜率降温，到8.5分钟后停止加热，油缸回程；压力从13kN 45kN斜率升高，到2分钟时升到45kN，从2 3分钟保压I分钟，从3 4分钟压力斜率升高到65kN，从4 6分钟保压2分钟，在6 7分钟压力斜率降低，到7分钟时降到45kN，在7 8.5分钟时间内保压，到8.5分钟油缸回程。
4.一种制备金刚石钻头的烧结装置，包括热压机(I)、中频电源(2)和控制柜(3)，热压机(I)的下部设置有液压系统(11)，中部设置有上压头(12)、下压头(13)、感应圈(14)、红外测温仪(4)，控制柜(3)外部设置有面板(31)和操作台(32)，内部设置有控制器(33)，控制器(33)包括单片机(33a)、温控芯片(33b)和可控硅触发模块(33c)，单片机(33a)与液压系统(11)、红外测温仪(4 )和温控芯片(33b )连接，温控芯片(33b )与可控硅触发模块(33c )连接，可控硅触发模块(33c)与中频电源(2)连接，中频电源(2)与感应圈(14)连接，其特征在于所述的液压系统(11)为带振动装置的振动液压系统，热压机(I)的上压头(12)和下压头(13)分别与振动液压系统连接，所述的中频电源(2)为变中频电源发生器。
5.根据权利要求4所述的ー种金刚石钻头的制备方法，其特征在于所述的变中频电源发生器设置有至少两路中频 谐振电路。
全文摘要
本发明公开了一种金刚石钻头的制备方法及其烧结装置。该方法包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序，其热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制。烧结装置由热压机、中频电源和控制系统组成。控制系统通过红外测温仪实时检测烧结温度，并通过控制器调节中频电源的电流和工作频率，同时通过压力传感器实时检测油缸压力，使之按照系统设定的温度和压力曲线运行。本发明制作工艺简单，烧结装置采用全数控控制，自动化程度高，烧结用石墨模具尺寸小，节能降耗。采用本发明制备工艺和烧结装置制造孕镶金刚石钻头，可使钻头平均制造时间缩短40%，电能消耗减少36%，工作寿命提高40%以上。
文档编号B22F5/00GK103084574SQ20131005546
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者刘青, 胡郁乐, 段隆臣, 吴来杰, 张建斌, 陈家富, 刘全心, 吴水平 申请人:湖北长江精工材料技术有限公司