超硬材料网

       申请号：201710540808.2
       申请人：中南大学
       发明人：张绍和 张昊旸 曹函 孙平贺 李建中 舒彪

       摘要： 金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺，本发明由厚度为0.1～1.0mm的胎体工作层超薄片和隔离层超薄片复合成钻头钻齿；胎体工作层超薄片以金属粉末、碳化钨粉末为原料，隔离层超薄片以石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉为原料；工作层超薄片冷压成型采用螺旋状定位分布结构，将金刚石颗粒埋植在胎体预定位置；装料过程中采用超声波或其他高频率振动平台振动布粉，经冷压成型得到超薄片压坯；组装超薄片压坯成钻齿，将钻齿和钻头钢体通过中频炉热压烧结成一体，经机械加工制成钻头。本发明制成的超薄层复合钻头，钻进硬岩时工作效率高、寿命长、能耗低。

       主权利要求：1.一种金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：由厚度为0.1～1.0mm的工作层超薄片和厚度为0.1～1.0mm隔离层超薄片复合成钻头的钻齿；工作层超薄片胎体采用金属粉末和金刚石为原料，隔离层超薄片采用石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉为原料；工作层超薄片中植入的金刚石颗粒采用螺旋状定位分布结构，埋植在胎体预定位置；超薄层复合钻头由多层钻齿和钻头钢体合成。
       2.根据权利要求1所述的金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺，其特征在于：工作层超薄片植入的金刚石颗粒呈螺旋状定位分布结构，是以锯片中心点为圆心在工作层作出若干切削线；以锯片平均半径的1/2为半径作基圆，将基圆分成若干等份，然后以锯片平均半径的2/3为半径、以等份点为圆心画圆，形成若干螺旋线，金刚石布置在切削线和螺旋线的交点上。
       3.根据权利要求1所述的金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头及其制作工艺，其特征在于：
       第一步：模具和钢体准备
       根据钻头尺寸，选用优质合金钢设计和加工冷压模具，其中钢压头是保证金刚石呈等距状定位分布结构，利用激光雕刻法或电火花法加工；选用体积密度大于1.85g/cm3，抗压强度大于45MPa的高强度高纯度高密度的石墨设计和加工烧结模具；选用45#钢加工好钻头钢体；
       第二步：胎体粉末混合
       称取质量合格的所需金属粉末、碳化钨粉末，加入体积分数为30％至80％的润湿剂混合均匀，得到混合均匀的工作层粉末混合料；
       第三步：隔离层混料
       称取质量合格的石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉、陶瓷粉隔离层原料，加入体积分数为30％至80％的润湿剂混合均匀，得到混合均匀的隔离层粉末混合料；
       第四步：振动布料装模
       称取混合均匀的工作层粉料，装入放置在超声波或其他高频率振动平台上的冷压模具中，开动超声波或其他高频率振动平台振动0.5～10分钟，振动频率为800Hz至100000Hz，组装好钢压头后，移至压力机上加压成型得到胎体工作层超薄片压坯；称取混合均匀的隔离层粉料装入冷压模具中，开动超声波或其他高频率振动平台振动0.5～10分钟，振动频率为800Hz至100000Hz，然后移至压力机上加压成型得到隔离层超薄片压坯；
       第五步：金刚石定位分布
       使用钢压头冷压成型得到的工作层超薄片压坯，压坯留有满足金刚石呈螺旋状定位分布结构的放置坑，将工作层超薄片压坯从钢模取出，采用涂抹粘贴法将金刚石颗粒植入坑内，制得含金刚石颗粒的工作层超薄片压坯；
       第六步：粉末冶金法制造
       将植入金刚石颗粒的工作层超薄片压坯和隔离层超薄片压坯，按照工作层超薄片压坯—隔离层超薄片压坯—工作层超薄片压坯—隔离层超薄片压坯—……工作层超薄片压坯的顺序和规定数量组装，并配好钻头钢体，置于中频炉中先通过加温加压，温度逐步提升至900℃至980℃，压力逐步加至25KN至40KN，然后降温至700℃至790℃，降压至15KN至25KN，进行保温保压2分钟至8分钟，完成热压制作流程；
       第七步：冷却脱模
       将置于中频炉的石墨模具组件，待烧结过程结束和冷却后从石墨模中取出得到金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头毛坯；
       第八步：机械加工
       将金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头毛坯，按照有关标准进行丝扣加工、水口水槽加工，即制成钻头待用。
       4.根据权利要求3所述的金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤二所述的胎体粉末配方是钴粉、镍粉、铁粉、钛粉、铬粉、锰粉、铜粉、锡粉和碳化钨粉；其中：钴粉、镍粉、铁粉、锰粉、钛粉和铬粉各占总质量的2％～70％；铜粉和锡粉各占总质量的3％～50％；碳化钨粉占总质量的0％～50％；所用粉末粒径为0.075mm以下。
       5.根据权利要求3所述的金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤三所述的隔离层粉料配方是石墨粉、碳化硅粉、氧化铝粉和陶瓷粉；其中石墨粉占总质量的5％～90％，粒径为0.1mm以下；碳化硅粉、氧化铝粉、陶瓷粉各占总质量的2％～50％，粒径为0.1mm以下。
       6.根据权利要求3所述的金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤四中所述的振动布料装模，布料装模时将合金钢磨具放置在超声波或其他高频率振动平台上振动1～8分钟，振动频率为20000Hz至80000Hz，振动平台采用超声波或其他高频率振动源提供激振力。
       7.根据权利要求3所述的金刚石螺旋状定位分布超薄层复合钻头，其特征在于：步骤五中所述的金刚石放射状定位分布，使用的金刚石体积浓度为5％～50％，粒径为0.045～0.60mm，金刚石颗粒按放射状定位分布结构植于超薄工作层胎体中的预定位置，预定位置是利用激光雕刻法或电火花法加工冷压成型的钢压头，用钢压头表面的凹凸坑位置来确定预定位置，冷压成型的超薄工作层压坯中凹坑即为金刚石颗粒植入处，采用涂抹粘贴法将金刚石颗粒置于坑内。