采用条坯组装烧结成型制作钻齿的方法与流程

本发明涉及一种钻齿/钻头的制作方法，具体涉及一种采用条坯组装烧结成型制作钻齿的方法。

背景技术：

金刚石钻头在我国已有近60年的发展历程，目前已广泛运用于勘探、石材加工、玻璃加工等行业，品类繁多、尺寸形貌各异。总体而言，现有金刚石钻头的制作流程主要为：混料、组装、烧结、后续加工。金刚石钻头传统的中频热压烧结的制作方式存在人工操作繁琐、生产周期长、生产质量人为影响因素高等不足；近几年出现的先冷压钻齿坯块再行烧结的制作方式由于产品种类繁多，存在模具通用性低、模具成本占比高等不足；而自动冷压钻齿坯块再行烧结的制作方式则存在设备成本高、模具通用性差、模具更换成本高等不足。这些工艺的不足限制了金刚石钻头生产企业的发展，在激烈的市场竞争下有必要开发一种适配性强、自动化高、适合流水线生产的低成本工艺方法。另一方面，现有工艺制作的钻齿有成分不均匀、质量不稳定、工作面成分差异化可设计性低等缺点，导致产品对严苛工况适应性不足、工作对象覆盖面窄，这也要求进一步的革新工艺、改良产品。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种适配性强、自动化程度高、适合流水线生产的采用条坯组装烧结成型制作钻齿的方法。由该方法制作的钻齿质量稳定、自锐性强、工作面成分可按需设计排布。

本发明所述的采用条坯组装烧结成型制作钻齿的方法，包括以下步骤：

1)按设计要求称取各原料，之后混料，分别得到含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保径料、过渡料和结合料；

2)将含有超硬磨粒的工作料和结合料制作成在高度方向上具有由工作层和结合层组成的双层结构的钻进工作条状坯；或者是将含有超硬磨粒的工作料、过渡料和结合料制作成在高度方向上具有由工作层、过渡层和结合层组成的三层结构的钻进工作条状坯；将含聚晶碎粒的保径料制作成聚晶保径条状坯；

3)对所得钻进工作条状坯、聚晶保径条状坯进行包括干燥、去氧还原操作的预处理，得到预处理后的钻进工作条状坯和聚晶保径条状坯；

4)将所得预处理后的钻进工作条状坯和聚晶保径条状坯按照设计要求进行排布装模，之后进行烧结成型；

5)烧结成型后脱模并进行后续加工。

本发明所述方法的步骤1)中，所述的含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保径料、过渡料和结合料的组成及配比可以根据需要进行具体设计，也可以是现有技术中的常规选择。

本发明所述方法中，为了使步骤1)混合所得的各种物料在后续步骤中更容易成型，优选是在步骤1)中的混料过程中加入辅助成型剂，辅助成型剂的选择及用量与现有技术相同，通常为乙醇和甘油的组合物，更具体可以是乙醇和甘油以1-3：1的体积比组成的组合物。

本发明所述方法的步骤2)中，当钻进工作条状坯在其高度方向上为具有工作层、过渡层和结合层组成的三层结构时，主要应用于钻齿独立成型，之后还需要将钻齿焊接在基体上的场合，其中的工作层即为钻齿用于钻进的工作部分，结合层则即为与基体焊接的部分，过渡层则处于工作层与结合层之间，以实现工作层和结合层之间的应力、脆性、强度等的逐渐过渡，减少其发生断裂的情况。

本发明所述方法的步骤2)中，各条状坯可采用现有常规方法进行制作，具体可以是人工机械冷压成型、机械自动冷压成型或挤压成型等。各条状坯的上、下两个端面的形状可以根据需要进行确定，具体可以是圆形、方形、三角形或异形。所述条状坯的上端面或下端面的大小可根据所需制作的钻齿的大小进行确定，通常情况下，条状坯上端面或下端面的面积为0.8-80mm²，所述条状坯的高度通常为16-60mm。

本发明所述方法的步骤3)中，预处理通常在80-300℃条件下进行，以实现各条状坯的干燥、去氧还原以及除胶(当混合时添加了辅助成型剂的情况下)操作。预处理的时间根据需要确定，通常为30-120min。

本发明所述方法的步骤4)中，所述排布装模的基本原则为在钻齿内、外径弧面上均匀排布一层或一层以上的聚晶保径条状坯，中间部位以钻进工作条状坯进行均匀排布。在烧结成型时，可以采用钻齿独立烧结或连同基体一体化烧结成型的方式，当采用一体化烧结成型时，可以根据需要添加辅助成型钎料和水口填充辅料，其中辅助成型钎料视钻齿的烧结性能选择性添加以增加烧结强度，水口填充辅料的添加则是完成水口的烧制以增加整体结合力。所述烧结成型可通过中频热压烧结、真空热压烧结等方式烧结成型。

与现有技术相比，本发明采用先制作条坯再按需排布装模烧结的方法制作钻齿，其优点在于：

1、在制作不同齿形的钻齿时无需更换冷压模具，通用性强；

2、条坯可采用自动化设备制作，人工成本低、产率高、适合流水线生产；

3、可通过按需排布在钻齿工作面上进行成分差异化设计，工作适应性好，可设计性强；

4、因制作过程自动化控制程度高，本发明方法制作的钻齿相较传统工艺成分差异小，质量稳定性好；条坯间相互结合力偏弱，工作过程中有利于辅助金刚石出刃，钻齿自锐性好；

5、钻齿保径由传统的大颗粒聚晶保径变为聚晶条状坯层保径，保径覆盖面积大，保径性能更出色。

附图说明

图1是本发明实施例1所述方法的工艺流程示意图；

图2为发明实施例1中聚晶保径条状坯一种实施方式的结构示意图；

图3为发明实施例1中钻进工作条状坯一种实施方式的结构示意图；

图4为钻进工作条状坯另一种实施方式的结构示意图；

图5为钻齿独立烧结装模结构示意图；

图6为钻头一体化烧结装模结构示意图；

图7为图6中a处的放大图。

图中标号为：

1聚晶保径条状坯；2钻进工作条状坯；2-1工作层；2-2结合层；2-3过渡层；3钻齿独立烧结石墨模具；4基体；5一体化烧结石墨模具；6水口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：钻齿独立烧结成型

采用条坯烧结成型制作钻齿的方法(钻齿独立烧结成型)，其工艺流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

1)按设计要求称取各原料，分别混制得到含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保径料、过渡料和结合料，并在混好的中掺入常规用量的由乙醇和甘油以1：1的体积比组成的辅助成型剂；所述的含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保径料、过渡料和结合料的组成及配比与现有技术相同；当应用于vi级花岗岩时，各种粉料的具体配方如下：

①含有超硬磨粒的工作料的配方：40wt％fe+34wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+4wt％cusn15+5wt％mn，超硬磨粒为20％(砂轮浓度制)的金刚石。

②含聚晶碎粒的保径料的配方：40wt％fe+38wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+5wt％mn，聚晶碎粒浓度为30％(砂轮浓度制)。

③结合料的配方：采用法国飞羽公司的next300预合金粉料；

④过渡料的配方：采用前述①号所述粉料和③号所述粉料以1:2的质量比混合而成。

2)将含聚晶碎粒的保径料通过常规的挤压成型(压力30-50mpa，保压3-5s)方式制作成上、下端面均为圆形的聚晶保径条状坯1，如图2所示；将含有超硬磨粒的工作料、过渡料和结合料通过常规的挤压成型(压力20-30mpa，保压3-5s)制作成在高度方向上具有由工作层2-1、过渡层2-3和结合层2-2组成的三层结构且上、下端面均为圆形的钻进工作条状坯2，如图4所示；在制作钻进工作条状坯2和聚晶保径条状坯1时，控制各条状坯上端面或下端面的面积为10-20mm²，各条状坯的高度为16-60mm；所述的钻进工作条状坯2，控制其中的工作层2-1(含超硬磨粒)高度在10-50mm之间，过渡层2-3高度在3-5mm之间，结合层2-2高度在3-10mm之间。

3)对所得钻进工作条状坯2、聚晶保径条状坯1于100℃条件下进行包括干燥、除胶、去氧还原操作的预处理，时间为60min，得到预处理后的钻进工作条状坯2和聚晶保径条状坯1；

4)将预处理后的钻进工作条状坯2和聚晶保径条状坯1在钻齿的工作平面上进行成分、磨粒浓度、条坯尺寸形貌等方面的按需排布装模，其中排布装模的基本原则为在所要形成的钻齿形状的内、外径弧面上均匀排布一层或两层的聚晶保径条状坯1，中间部位以钻进工作条状坯2进行均匀排布；装入钻齿独立烧结石墨模具3中完成烧结(烧结温度900℃，烧结压力25mpa，保温保压时间5min)，如图5所示；

5)烧结成型后脱模并进行后续加工。

用本发明所述方法制作的钻齿在形成钻头后，将其与传统热压金刚石钻头进行钻进vi级花岗岩的试验对比，试验结果表明：发明所述方法制作的钻齿所形成的钻头的钻进时速达到4.66m/h，较传统热压金刚石钻头(钻进时速为3.3m/h)提高了41％，寿命提高20％，而金刚石消耗减少30％。

实施例2：钻齿连同基体一体化烧结成型

重复实施例1，不同的是：

步骤1)中，各粉料的具体配方为：

①含有超硬磨粒的工作料的配方：40wt％fe+18wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+4wt％cusn15+5wt％mn，超硬磨粒为20％(砂轮浓度制)的金刚石。

②含聚晶碎粒的保径料的配方：40wt％fe+38wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+5wt％mn，聚晶碎粒浓度为30％(砂轮浓度制)；

③结合料的配方：40wt％fe+18wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+4wt％cusn15+5wt％mn；

步骤2)中，将含有超硬磨粒的工作料和结合料制作成在高度方向上具有由工作层2-1和结合层2-2组成的双层结构且上、下端面均为圆形的钻进工作条状坯2，如图3所示；在制作时，控制钻进工作条状坯2的工作层2-1(含超硬磨粒)高度在10-50mm之间，结合层2-2高度在6-10mm之间；

步骤4)中，采用钻齿连同基体4一体化烧结成型的方式，其中一体化烧结成型如图6所示，具体地，将基体4与钻进工作条状坯2和聚晶保径条状坯1、水口填充辅料(经烧结后形成水口6)装入一体化烧结石墨模具5中完成烧结(烧结温度980℃，烧结压力40mpa，保温保压时间5min)；

在一体化烧结成型时，水口填充辅料的配方为：40wt％fe+18wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+4wt％cusn15+5wt％mn。