採用條坯組裝燒結成型製作鑽齒的方法與流程

2023-12-11 12:58:57 1

本發明涉及一種鑽齒/鑽頭的製作方法，具體涉及一種採用條坯組裝燒結成型製作鑽齒的方法。

背景技術：

金剛石鑽頭在我國已有近60年的發展歷程，目前已廣泛運用於勘探、石材加工、玻璃加工等行業，品類繁多、尺寸形貌各異。總體而言，現有金剛石鑽頭的製作流程主要為：混料、組裝、燒結、後續加工。金剛石鑽頭傳統的中頻熱壓燒結的製作方式存在人工操作繁瑣、生產周期長、生產質量人為影響因素高等不足；近幾年出現的先冷壓鑽齒坯塊再行燒結的製作方式由於產品種類繁多，存在模具通用性低、模具成本佔比高等不足；而自動冷壓鑽齒坯塊再行燒結的製作方式則存在設備成本高、模具通用性差、模具更換成本高等不足。這些工藝的不足限制了金剛石鑽頭生產企業的發展，在激烈的市場競爭下有必要開發一種適配性強、自動化高、適合流水線生產的低成本工藝方法。另一方面，現有工藝製作的鑽齒有成分不均勻、質量不穩定、工作面成分差異化可設計性低等缺點，導致產品對嚴苛工況適應性不足、工作對象覆蓋面窄，這也要求進一步的革新工藝、改良產品。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種適配性強、自動化程度高、適合流水線生產的採用條坯組裝燒結成型製作鑽齒的方法。由該方法製作的鑽齒質量穩定、自銳性強、工作面成分可按需設計排布。

本發明所述的採用條坯組裝燒結成型製作鑽齒的方法，包括以下步驟：

1)按設計要求稱取各原料，之後混料，分別得到含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保徑料、過渡料和結合料；

2)將含有超硬磨粒的工作料和結合料製作成在高度方向上具有由工作層和結合層組成的雙層結構的鑽進工作條狀坯；或者是將含有超硬磨粒的工作料、過渡料和結合料製作成在高度方向上具有由工作層、過渡層和結合層組成的三層結構的鑽進工作條狀坯；將含聚晶碎粒的保徑料製作成聚晶保徑條狀坯；

3)對所得鑽進工作條狀坯、聚晶保徑條狀坯進行包括乾燥、去氧還原操作的預處理，得到預處理後的鑽進工作條狀坯和聚晶保徑條狀坯；

4)將所得預處理後的鑽進工作條狀坯和聚晶保徑條狀坯按照設計要求進行排布裝模，之後進行燒結成型；

5)燒結成型後脫模並進行後續加工。

本發明所述方法的步驟1)中，所述的含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保徑料、過渡料和結合料的組成及配比可以根據需要進行具體設計，也可以是現有技術中的常規選擇。

本發明所述方法中，為了使步驟1)混合所得的各種物料在後續步驟中更容易成型，優選是在步驟1)中的混料過程中加入輔助成型劑，輔助成型劑的選擇及用量與現有技術相同，通常為乙醇和甘油的組合物，更具體可以是乙醇和甘油以1-3：1的體積比組成的組合物。

本發明所述方法的步驟2)中，當鑽進工作條狀坯在其高度方向上為具有工作層、過渡層和結合層組成的三層結構時，主要應用於鑽齒獨立成型，之後還需要將鑽齒焊接在基體上的場合，其中的工作層即為鑽齒用於鑽進的工作部分，結合層則即為與基體焊接的部分，過渡層則處於工作層與結合層之間，以實現工作層和結合層之間的應力、脆性、強度等的逐漸過渡，減少其發生斷裂的情況。

本發明所述方法的步驟2)中，各條狀坯可採用現有常規方法進行製作，具體可以是人工機械冷壓成型、機械自動冷壓成型或擠壓成型等。各條狀坯的上、下兩個端面的形狀可以根據需要進行確定，具體可以是圓形、方形、三角形或異形。所述條狀坯的上端面或下端面的大小可根據所需製作的鑽齒的大小進行確定，通常情況下，條狀坯上端面或下端面的面積為0.8-80mm2，所述條狀坯的高度通常為16-60mm。

本發明所述方法的步驟3)中，預處理通常在80-300℃條件下進行，以實現各條狀坯的乾燥、去氧還原以及除膠(當混合時添加了輔助成型劑的情況下)操作。預處理的時間根據需要確定，通常為30-120min。

本發明所述方法的步驟4)中，所述排布裝模的基本原則為在鑽齒內、外徑弧面上均勻排布一層或一層以上的聚晶保徑條狀坯，中間部位以鑽進工作條狀坯進行均勻排布。在燒結成型時，可以採用鑽齒獨立燒結或連同基體一體化燒結成型的方式，當採用一體化燒結成型時，可以根據需要添加輔助成型釺料和水口填充輔料，其中輔助成型釺料視鑽齒的燒結性能選擇性添加以增加燒結強度，水口填充輔料的添加則是完成水口的燒制以增加整體結合力。所述燒結成型可通過中頻熱壓燒結、真空熱壓燒結等方式燒結成型。

與現有技術相比，本發明採用先製作條坯再按需排布裝模燒結的方法製作鑽齒，其優點在於：

1、在製作不同齒形的鑽齒時無需更換冷壓模具，通用性強；

2、條坯可採用自動化設備製作，人工成本低、產率高、適合流水線生產；

3、可通過按需排布在鑽齒工作面上進行成分差異化設計，工作適應性好，可設計性強；

4、因製作過程自動化控制程度高，本發明方法製作的鑽齒相較傳統工藝成分差異小，質量穩定性好；條坯間相互結合力偏弱，工作過程中有利於輔助金剛石出刃，鑽齒自銳性好；

5、鑽齒保徑由傳統的大顆粒聚晶保徑變為聚晶條狀坯層保徑，保徑覆蓋面積大，保徑性能更出色。

附圖說明

圖1是本發明實施例1所述方法的工藝流程示意圖；

圖2為發明實施例1中聚晶保徑條狀坯一種實施方式的結構示意圖；

圖3為發明實施例1中鑽進工作條狀坯一種實施方式的結構示意圖；

圖4為鑽進工作條狀坯另一種實施方式的結構示意圖；

圖5為鑽齒獨立燒結裝模結構示意圖；

圖6為鑽頭一體化燒結裝模結構示意圖；

圖7為圖6中a處的放大圖。

圖中標號為：

1聚晶保徑條狀坯；2鑽進工作條狀坯；2-1工作層；2-2結合層；2-3過渡層；3鑽齒獨立燒結石墨模具；4基體；5一體化燒結石墨模具；6水口。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步的詳述,以更好地理解本發明的內容,但本發明並不限於以下實施例。

實施例1：鑽齒獨立燒結成型

採用條坯燒結成型製作鑽齒的方法(鑽齒獨立燒結成型)，其工藝流程圖如圖1所示，具體包括以下步驟：

1)按設計要求稱取各原料，分別混製得到含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保徑料、過渡料和結合料，並在混好的中摻入常規用量的由乙醇和甘油以1：1的體積比組成的輔助成型劑；所述的含有超硬磨粒的工作料、含聚晶碎粒的保徑料、過渡料和結合料的組成及配比與現有技術相同；當應用於vi級花崗巖時，各種粉料的具體配方如下：

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，超硬磨粒為20％(砂輪濃度制)的金剛石。

②含聚晶碎粒的保徑料的配方：40wt％fe+38wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+5wt％mn，聚晶碎粒濃度為30％(砂輪濃度制)。

③結合料的配方：採用法國飛羽公司的next300預合金粉料；

④過渡料的配方：採用前述①號所述粉料和③號所述粉料以1:2的質量比混合而成。

2)將含聚晶碎粒的保徑料通過常規的擠壓成型(壓力30-50mpa，保壓3-5s)方式製作成上、下端面均為圓形的聚晶保徑條狀坯1，如圖2所示；將含有超硬磨粒的工作料、過渡料和結合料通過常規的擠壓成型(壓力20-30mpa，保壓3-5s)製作成在高度方向上具有由工作層2-1、過渡層2-3和結合層2-2組成的三層結構且上、下端面均為圓形的鑽進工作條狀坯2，如圖4所示；在製作鑽進工作條狀坯2和聚晶保徑條狀坯1時，控制各條狀坯上端面或下端面的面積為10-20mm2，各條狀坯的高度為16-60mm；所述的鑽進工作條狀坯2，控制其中的工作層2-1(含超硬磨粒)高度在10-50mm之間，過渡層2-3高度在3-5mm之間，結合層2-2高度在3-10mm之間。

3)對所得鑽進工作條狀坯2、聚晶保徑條狀坯1於100℃條件下進行包括乾燥、除膠、去氧還原操作的預處理，時間為60min，得到預處理後的鑽進工作條狀坯2和聚晶保徑條狀坯1；

4)將預處理後的鑽進工作條狀坯2和聚晶保徑條狀坯1在鑽齒的工作平面上進行成分、磨粒濃度、條坯尺寸形貌等方面的按需排布裝模，其中排布裝模的基本原則為在所要形成的鑽齒形狀的內、外徑弧面上均勻排布一層或兩層的聚晶保徑條狀坯1，中間部位以鑽進工作條狀坯2進行均勻排布；裝入鑽齒獨立燒結石墨模具3中完成燒結(燒結溫度900℃，燒結壓力25mpa，保溫保壓時間5min)，如圖5所示；

5)燒結成型後脫模並進行後續加工。

用本發明所述方法製作的鑽齒在形成鑽頭後，將其與傳統熱壓金剛石鑽頭進行鑽進vi級花崗巖的試驗對比，試驗結果表明：發明所述方法製作的鑽齒所形成的鑽頭的鑽進時速達到4.66m/h，較傳統熱壓金剛石鑽頭(鑽進時速為3.3m/h)提高了41％，壽命提高20％，而金剛石消耗減少30％。

實施例2：鑽齒連同基體一體化燒結成型

重複實施例1，不同的是：

步驟1)中，各粉料的具體配方為：

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，超硬磨粒為20％(砂輪濃度制)的金剛石。

②含聚晶碎粒的保徑料的配方：40wt％fe+38wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+5wt％mn，聚晶碎粒濃度為30％(砂輪濃度制)；

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

步驟2)中，將含有超硬磨粒的工作料和結合料製作成在高度方向上具有由工作層2-1和結合層2-2組成的雙層結構且上、下端面均為圓形的鑽進工作條狀坯2，如圖3所示；在製作時，控制鑽進工作條狀坯2的工作層2-1(含超硬磨粒)高度在10-50mm之間，結合層2-2高度在6-10mm之間；

步驟4)中，採用鑽齒連同基體4一體化燒結成型的方式，其中一體化燒結成型如圖6所示，具體地，將基體4與鑽進工作條狀坯2和聚晶保徑條狀坯1、水口填充輔料(經燒結後形成水口6)裝入一體化燒結石墨模具5中完成燒結(燒結溫度980℃，燒結壓力40mpa，保溫保壓時間5min)；

在一體化燒結成型時，水口填充輔料的配方為：40wt％fe+18wt％663cu+10wt％co+7wt％ni+4wt％cusn15+5wt％mn。