一种强孕镶金刚石钻头胎体及钻头的制备方法与流程

本发明涉及一种用于加工大理石的钻头及其制备方法，特别涉及一种强孕镶金刚石钻头胎体及该钻头的制备方法。

背景技术：
大理石主要指变质或沉积的碳酸盐岩类的岩石，属于中硬石材，其主要的化学成分是碳酸钙，约占其总含量的50％。大理石有美丽的颜色、花纹，并有着较高的抗压强度和良好的物理化学性能，其分布广泛且易于加工。随着经济的发展，大理石应用范围不断扩大，在人们生活中起着重要作用；特别是在近10几年来，大理石装饰板材大批量地进入建筑装饰装修业，不仅用于豪华的公共建筑物，也进入了家庭的装饰，如将大理石用于制造精美的用具，如家具、灯具、烟具及艺术雕刻等。有些大理石(包括石灰岩、白云岩、大理岩等)还可以作耐碱材料，在大理石开采、加工过程中产生的碎石、边角余料也常用于人造石、水磨石、石米、石粉的生产，可用作涂料、塑料、橡胶等行业的填料。随着大理石的广泛使用，人们对大理石的加工质量要求也越来越高，通常选用孕镶金刚石钻头对大理石进行机械加工，从而获得较好的加工质量。目前，孕镶金刚石钻头主要用于高硬度的陶瓷材料的加工，为了适应高强度、高硬度陶瓷的加工，孕镶金刚石钻头的胎体对金刚石的包镶能力通常较弱，以保证金刚石磨粒及时出露；由于大理石的硬度和强度相对于陶瓷材料较小，对金刚石磨粒的磨损力度也较小，将现有的孕镶金刚石用于加工大理石，容易出现钻头胎体磨损速度快于金刚石磨粒磨损速度的现象，导致金刚石钻头的稳定性、加工效率和加工质量降低。因此，研制胎体对金刚石磨粒包镶能力强的金刚石钻头来加工大理石，具有十分重要的意义。

技术实现要素：
发明目的：本发明的第一目的是提供硬度高、塑性强、耐磨性强、磨损速度远低于金刚石磨粒磨损速度的强孕镶金刚石钻头胎体，本发明的第二目的是提供一种包含该胎体的强孕镶金刚石钻头的制备方法。技术方案：本发明所述的强孕镶金刚石钻头胎体，按重量份数包括如下原料：纯Fe粉45～55份，纯Cu粉30～40份，纯Sn、纯Zn的混合粉12～18份，纯Co、纯Ni的混合粉3～5份，纯La、纯Ce的混合粉1份；其中，每种混合粉中的两种金属为任意比例。纯Fe粉优选为47～51份；纯Cu粉优选为33～36份；纯Sn、纯Zn的混合粉优选为13～16份；纯Co、纯Ni的混合粉优选为3～4份。本发明所述的包含上述胎体的强孕镶金刚石钻头的制备方法，包括如下步骤：(1)按重量份数配制胎体，将浓度为50％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中热压烧结，当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体，其中，烧结温度为810～840℃，烧结压强为14.5～14.8MPa；(2)将金刚石烧结体保温1.8～2.4min后，冷却至室温；(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：本发明的胎体具有较高的硬度及较强的塑性，耐磨性强，对金刚石磨粒的包镶能力强，且胎体的磨损速度较慢，远低于金刚石磨粒的磨损速度；使用本发明制得的强孕镶金刚石钻头加工大理石，不仅可以提高加工效率和加工质量，还可以延长金刚石钻头的工作寿命，制作成本也较低，具有较高的应用价值。附图说明图1为本发明制备的强孕镶金刚石钻头胎体的断面图；图2本发明制备的强孕镶金刚石钻头胎体的磨损形貌图。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。本发明的强孕镶金刚石钻头胎体，按重量份数包括如下原料：纯Fe粉45～55份，纯Cu粉30～40份，纯Sn、纯Zn的混合粉12～18份，纯Co、纯Ni的混合粉3～5份，纯La、纯Ce的混合粉1份；且上述每种混合粉中的两种金属可为任意比例。通过增强钻头胎体对金刚石磨粒的包镶作用，使得加工过程中钻头胎体磨损速度与金刚石磨粒磨损速度接近，有效提高金刚石钻头加工的稳定性，同时也延长了金刚石的工作寿命。该胎体以Fe和Cu为主要原料，制得的胎体具有较高的硬度，具有较高的硬度及较强的塑性，耐磨性强，使得胎体的磨损速度较慢，远低于金刚石磨粒的磨损速度。铁与金刚石有较好的润湿性和较大的附着能力，高温下能与金刚石生成多种碳化物，其对金刚石轻度刻蚀时不会损失金刚石强度，在一定程度上还能增强金刚石在胎体中的把持力；而铜与碳化物及骨架材料的相容性很好，有助于提高胎体的成型性和可烧结性。而且，本发明在胎体中添加适量的Sn、Zn、Co、Ni等金属粉末进行合金化，提高胎体对金刚石的润湿性。其中，锡可改善结合剂的烧结性能，在铁基胎体中可以生成金属间化合物和复式碳化物，改善铁基胎体的磨损性能和变形性；锌的作用与锡类似，也能改善烧结性并易于生成金属间化合物，改善胎体磨损性和变形性。镍和钴的作用类似，能提高胎体的耐磨性和韧性，同时还能减少铁基胎体中锡、锌的烧结流失。另外，本发明中还添加较少的稀土元素La和Ce，稀土元素La和Ce可以提高胎体的抗弯强度，降低胎体熔点，并具有脱氧、脱硫、脱氮、脱氢的作用，防止其偏析，另外还有细化晶粒，增韧胎体，改善胎体合金断面组织的作用。如图1，从钻头胎体的断面图可以看出，胎体断面显示出韧窝状断口，表明胎体具有较强的塑性，钻头胎体的耐磨性较强，对金刚石磨粒的包镶能力强；如图2，从钻头胎体的磨损形貌图可以看出，金刚石磨粒的出露高度较低，不少磨粒出现了磨平磨钝的现象，说明胎体对金刚石磨粒的包镶能力较强，也间接说明了钻头的工作寿命较长，节约了加工成本。本发明的包含上述胎体的强孕镶金刚石钻头的制备方法，步骤为：配制胎体，将金刚石与胎体混合、热压烧结制成金刚石烧结体；将金刚石烧结体保温、然后冷却至室温；待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。通过控制烧结温度和烧结压强、保温时间，可使胎体粉末很好地熔合并合金化，同时不会损害金刚石质量，确保形成的胎体对金刚石良好的浸润及包镶能力，且胎体具备合适的耐磨性。实施例1原料：纯Fe粉50份，纯Cu粉35份，纯Sn粉5份，纯Zn粉10份，纯Co粉2份，纯Ni粉2份，纯La粉0.5份，纯Ce粉0.5份。制备方法：(1)将上述原料混合形成胎体，将浓度为50％的金刚石与胎体混合、装入石墨模具中，控制温度为840℃、压强为14.7MPa，热压烧结；当混合料接近塑性状态时加压成型，烧结制成金刚石烧结体；(2)将金刚石烧结体保温2min，然后冷却至室温；(3)待金刚石烧结体冷却后，将其钎焊固定在金属基体上制成金刚石钻头。此处“浓度为50％的金刚石”是指金刚石浓度为50％。金刚石浓度采用400％浓度制，即金刚石浓度为100％时胎体中金刚石体积浓度为25％。实施例2原料：纯Fe粉45份，纯Cu粉30份，纯Sn粉9份，纯Zn粉9份，纯Co粉1份，纯Ni粉2份，纯La粉0.4份，纯Ce粉0.6份。制备方法参照实施例1，不同之处在于，控制温度为810℃，压强为14.5MPa，保温时间为2.4min。实施例3原料：纯Fe粉55份，纯Cu粉40份，纯Sn粉6份，纯Zn粉6份，纯Co粉2份，纯Ni粉3份，纯La粉0.6份，纯Ce粉0.4份。制备方法参照实施例1，不同之处在于，控制温度为820℃，压强为14.8MPa，保温时间为1.8min。实施例4原料：纯Fe粉47份，纯Cu粉36份，纯Sn粉7份，纯Zn粉9份，纯Co粉2份，纯Ni粉3份，纯La粉0.3份，纯Ce粉0.7份。制备方法参照实施例1。实施例5原料：纯Fe粉51份，纯Cu粉33份，纯Sn粉5份，纯Zn粉8份，纯Co粉2份，纯Ni粉2份，纯La粉0.7份，纯Ce粉0.3份。制备方法参照实施例1。实施例6参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Fe粉的含量分别为40份、45份、47份、50份、51份、55份和60份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表1。表1Fe粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表1可知，胎体中铁粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的耐磨性。当铁粉含量低于45份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且胎体的耐磨性较差；当铁粉含量增加至45～55份时，胎体对金刚石的包镶能力及胎体的耐磨性均得到显著提升，尤其是铁粉含量为47～51份时，胎体对金刚石的包镶能力强，同时胎体的耐磨性好；而当铁粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的耐磨性也变得较差。实施例7参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Cu粉的含量分别为25份、30份、33份、35份、36份、40份和45份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表2。表2Cu粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表2可知，胎体中铜粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的成型性。当铜粉含量低于30份时，胎体对金刚石的包镶能力较弱，且胎体的成型性较差；当铜粉含量增加至30～40份时，胎体对金刚石的包镶能力增强，胎体的成型性也得到显著提升，尤其是铜粉含量为33～36份时，胎体对金刚石的包镶能力强，且胎体也维持了较好的成型性；而当铜粉含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的成型性也变得较差。实施例8参照实施例1，设计7组平行试验，其中纯Sn、纯Zn混合粉的含量分别为10份、12份、13份、15份、16份、18份和20份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表3。表3Sn、Zn混合粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表3可知，胎体中锡、锌混合粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的可烧结性。当锡锌混合粉的含量低于12份时，胎体对金刚石的包镶能力弱，且胎体的可烧结性较差；当锡锌混合粉的含量增加至12～18份时，胎体对金刚石的包镶能力及胎体的耐磨性均得到显著提升，尤其是锡锌混合粉的含量为13～16份时，胎体的可烧结性好，且胎体对金刚石基本维持在强的包镶能力；而当锡锌混合粉的含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的可烧结性也变得较差。实施例9参照实施例1，设计5组平行试验，其中纯Co、Ni混合粉的含量分别为2份、3份、4份、5份、6份，其余组分含量不变。制备方法与实施例1相同。所得孕镶金刚石钻头的性能如表4。表4Co、Ni混合粉含量对孕镶金刚石钻头的性能影响由表4可知，胎体中钴镍混合粉的含量影响胎体对金刚石的包镶能力以及胎体的韧性。当钴镍混合粉的含量低于3份时，胎体对金刚石的包镶能力较弱，且胎体的韧性较差；当钴镍混合粉的含量增加至3～5份时，胎体对金刚石的包镶能力及胎体的韧性均得到显著提升，尤其是钴镍混合粉的含量为3～4份时，胎体的韧性好，且胎体对金刚石的包镶能力强；而当钴镍混合粉的含量继续增加时，胎体对金刚石的包镶能力减弱，胎体的韧性也变得较差。实施例10参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结温度为800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表5。表5烧结温度对孕镶金刚石钻头的性能影响由表5可知，当烧结温度低于810℃时，胎体的成型性较差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当烧结温度升高至810～840℃时，胎体的成型性得到显著提升，制得的孕镶金刚石的工作寿命长；而当烧结温度继续升高时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。实施例11参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制烧结压强为14.4MPa、14.5MPa、14.6MPa、14.7MPa、14.8MPa、14.9MPa，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表6。表6烧结压强对孕镶金刚石钻头的性能影响由表6可知，当烧结压强低于14.5MPa时，胎体的成型性差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当烧结压强升高至14.5～14.8MPa时，胎体的成型性得到显著提升，制得的孕镶金刚石的工作寿命也较长；而当烧结压强继续升高时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命开始缩短。实施例12参照实施例1的制备方法，进行6组平行实验，其中，分别控制保温时间为1.6、1.8、2、2.2、2.4、2.6min，制得的孕镶金刚石钻头的性能如表7。表7保温时间对孕镶金刚石钻头的性能影响由表7可知，当保温时间低于1.8min时，胎体的成型性较差，且制得的孕镶金刚石钻头的工作寿命短；当保温时间加长至1.8～2.4min时，胎体的成型性较好，制得的孕镶金刚石的工作寿命长；而当保温时间继续加长时，胎体的成型性变差，制得的孕镶金刚石的工作寿命缩短。