專利名稱：金剛石薄壁鉆頭的釬焊工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釬焊工藝，更具體地說本發(fā)明涉及一種金剛石薄壁鉆頭的釬焊工藝。
背景技術(shù)：
金剛石鉆頭主要用于在陶瓷、玻璃等硬質(zhì)物品上打孔，這些物品的表面硬度比較高，采用普通的鋼質(zhì)鉆頭無法正常的打孔，由于金剛石鉆頭硬度比陶瓷和玻璃高，所以能在這些硬質(zhì)物品上打孔。金剛石薄壁鉆頭是一種新型的鉆孔工具，由基體和刀頭組成，具有鉆孔尺寸精確、 速度快、對(duì)材料周邊無損壞和不需要后續(xù)工序等特點(diǎn)。主要應(yīng)用于在各種建筑材料中鉆進(jìn)小孔和大直徑孔眼，尤其是對(duì)于工程翻新或建筑改建時(shí)電線或管道的鋪設(shè)有利，此外在混凝土深切、切大直徑孔時(shí)其也是必不可少的工具。金剛石薄壁鉆頭的工作條件比較惡劣，高速、振動(dòng)、高溫對(duì)金剛石鉆頭提出了苛刻的要求，隨著鉆頭切削速度和進(jìn)刀量的不斷提高，對(duì)金剛石鉆頭焊縫強(qiáng)度的要求也越來越高。現(xiàn)有技術(shù)中將金剛石鉆頭連接鋼材基體上的方法主要有熱壓燒結(jié)法、化學(xué)氣相沉積法、 電鍍法以及焊接法。其中熱壓燒結(jié)方法通過采用多組元單質(zhì)金屬粉末和金剛石混合后熱壓燒結(jié)而成， 由于燒結(jié)溫度高，對(duì)金剛石的熱損傷大，胎體容易氧化；另外由于燒結(jié)時(shí)間短胎體不能達(dá)到完全和金化，從而導(dǎo)致鉆頭質(zhì)量難以控制。電鍍法制備的金剛石鉆頭盡管得到了廣泛的應(yīng)用，但是電鍍法制備的鉆頭只是電鍍金屬膜對(duì)金剛石磨粒起包裹作用，兩者之間僅限于機(jī)械結(jié)合，相對(duì)于熱壓燒結(jié)法，金剛石磨粒的把持力較差，金剛石磨粒與胎體的結(jié)合較弱，磨料容易過早脫落，導(dǎo)致使用壽命短和強(qiáng)度低。采用化學(xué)氣相沉積方法(CVD)制造金剛石磨層，雖然能改善鉆頭的切割性能，但是CVD法所需設(shè)備價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜，而且金剛石脫落問題以及高精度連接的問題仍有待解決。釬焊法也是制作金剛石鉆頭的常用方法，它是借助高溫釬焊使釬料中的活性元素在金剛石磨粒與金屬基體界面上發(fā)生溶解、擴(kuò)散、化合之類的相互作用，從而提高基體對(duì)金剛石磨粒的粘結(jié)力，改善磨料、結(jié)合劑(釬料合金)、基體三者之間的結(jié)合強(qiáng)度。釬焊金剛石工具有以下特點(diǎn)①磨料、釬料和基體三者之間能實(shí)現(xiàn)冶金化學(xué)結(jié)合，從而提高了結(jié)合強(qiáng)度，工具使用壽命長；②磨粒的出露高度大，容屑空間大，不易堵塞，磨料的利用更加充分； ③磨削力、功率消耗和磨削溫度低；④具有環(huán)保意義，符合當(dāng)今倡導(dǎo)的綠色制造發(fā)展趨勢。 但是現(xiàn)有技術(shù)中的釬焊方法，由于焊接溫度較高，對(duì)金剛石的熱損仍然較嚴(yán)重，而且在金剛石膜層中會(huì)殘留有氣孔，影響產(chǎn)品的成品率。有鑒于此，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過詳思細(xì)索并依賴多年從事相關(guān)工藝的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)， 完成了本發(fā)明
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中金剛石釬焊鉆頭表面氣孔較多、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的缺陷，提供一種氣孔率低、金剛石和基體結(jié)合牢固，成品率高質(zhì)量穩(wěn)定的釬焊工藝。采用本發(fā)明的釬焊工藝制備的金剛石薄壁鉆頭適用于包括混凝土、石材、玻璃、陶瓷等非金屬材料及鐵、鋁等金屬材料的鉆孔、取芯操作。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種金剛石鉆頭的釬焊工藝，其特征在于包括以下步驟(1)45號(hào)鋼薄壁鉆頭基體的前處理對(duì)45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗和酸洗；( 釬焊材料準(zhǔn)備將平均粒徑為10-200 μ m的鎳基釬料粉末與平均粒徑為3-50 μ m的金剛石顆?；旌?；(3)釬焊材料的預(yù)涂覆將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鉆頭表面；(4)在真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為850-980°C，保溫時(shí)間20-30min。優(yōu)選地，所述的薄壁鉆頭基體，包括同軸設(shè)置的鉆頭基體和呈筒狀的鉆頭，所述鉆頭基體分為上桿體和下桿體，所述上桿體的一端和下桿體的內(nèi)端軸向固連，上桿體的另一端用于和電鉆機(jī)相連；其特征在于，所述的鉆頭的外端邊緣上具有若干個(gè)鉆齒，所述的鉆齒呈非連續(xù)地排列，相鄰的鉆齒之間具有U型槽，所述的鉆齒為圓弧形。優(yōu)選地，在本發(fā)明的金剛石薄壁鉆頭中，所述上桿體的直徑小于下桿體且兩者的連接處具有一個(gè)擋肩。當(dāng)上桿體裝在電鉆機(jī)上后，擋肩將限制上桿體繼續(xù)深入電鉆機(jī)的內(nèi)部。優(yōu)選地，本發(fā)明的金剛石薄壁鉆頭中，所述的鉆頭基體內(nèi)部具有一個(gè)內(nèi)腔，所述的內(nèi)腔軸向貫穿所述的鉆頭。所述的鉆頭基體的側(cè)壁上具有一個(gè)或多個(gè)與其內(nèi)腔相連通的進(jìn)水口。當(dāng)鉆頭在打孔的時(shí)候，隨著加工時(shí)間的推移，鉆刃部分的溫度會(huì)上升的很快，這時(shí)需要通過進(jìn)水口將冷卻液注射到鉆頭基體的內(nèi)腔里，冷卻液沿著鉆體的內(nèi)壁流到鉆刃上，從而使鉆刃保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間內(nèi)。優(yōu)選地，在本發(fā)明的金剛石薄壁鉆頭中，所述鉆頭和鉆頭基體的下桿體的壁厚為 2-10mmo較佳地，在本發(fā)明的金剛石薄壁鉆頭中，所述鉆頭的直徑為25_150mm。優(yōu)選地，所述的堿洗是將鉆頭基體置入8_15wt% Na0H,5-10wt% Na2CO3、5_1 Owt % Na2SiO3和3-5wt% Na3PO4的堿性水溶液中，清洗溫度為50_85°C，時(shí)間為10-20分鐘，除去鋼材工件表面的油污。優(yōu)選地，所述的酸洗是將鉆頭基體置于3-5wt%鹽酸、0. 5-1. 2wt%的硫脲水溶液中，酸洗時(shí)間為5-10分鐘，以去除基體表面的氧化層。優(yōu)選地，真空釬焊的真空度為1 X KT1-I X 10 ,升溫速率為60-150°C /min,冷卻方式為空冷。優(yōu)選地，對(duì)預(yù)涂覆后的釬焊材料粉末進(jìn)行冷壓，壓力為5_12MPa，保壓時(shí)間為3_5秒。優(yōu)選地，所述的鎳基釬料粉末的組成和含量為Cu 10. 3-15. 2wt %,Mn 17. 2-25. 8wt%,Ti :4. 5-10. 8wt%,Al :7. 2-12. 6wt%, Sn :2. 2-4. 5wt%、余量為 Ni。上述鎳基釬焊粉末可以通過機(jī)械球磨的方法制備得到，另外也可以通過氣體霧化方法制備得到。例如可以按照以下公開的霧化方法制備上述鎳基釬料粉末按照規(guī)定的配比，將Cu、Mn、Ti、Al、Sn和Ni原料置于熔煉爐中，在加壓條件下，加熱至1050-1250°C，使得原料熔化；然后在集粉器中充入高純氬氣；利用高純氬氣對(duì)熔化后的原料進(jìn)行霧化，霧化壓力為2-4MPa得到鎳基釬焊粉末。本發(fā)明的金剛石鉆頭釬焊工藝，釬焊溫度適中，因而對(duì)金剛石的熱損傷小，另外釬料具有良好的浸潤和潤濕性能，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后在45號(hào)鋼基體與金剛石之間產(chǎn)生牢固的冶金界面結(jié)合，形成金屬基體對(duì)金剛石的牢固的保持作用，使得金剛石磨粒在鉆進(jìn)和切割加工期間不易過早得脫落，從而能夠有效地提高鉆頭的使用壽命。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金剛石薄壁鉆頭的平面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面本發(fā)明將結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋和說明。申請(qǐng)人在此需要申明的是，實(shí)施例和附圖僅是為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，絕不能將其解釋為對(duì)發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例1參見圖1，圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金剛石薄壁鉆頭基體的平面示意圖。本實(shí)施例的金剛石薄壁鉆頭，包括同軸設(shè)置的鉆頭基體1和呈筒狀的鉆頭2，所述的鉆頭的外端邊緣上具有5個(gè)鉆齒3，所述的鉆齒呈非連續(xù)地排列，所述的鉆齒為圓弧形，相鄰的鉆齒之間具有U型槽，且其表面施加有金剛石磨粒4，述鉆頭基體分為上桿體12和下桿體11，所述上桿體12的一端和下桿體11的內(nèi)端軸向固連，上桿體12的另一端用于和電鉆機(jī)相連，所述上桿體12的直徑小于下桿體11且兩者的連接處具有一個(gè)擋肩13，所述的鉆頭基體內(nèi)部具有一個(gè)內(nèi)腔14，所述的內(nèi)腔軸向貫穿所述的鉆頭，所述的鉆頭基體的側(cè)壁15上具有與其內(nèi)腔相連通的進(jìn)水口 16，所述鉆頭2與鉆頭基體1為一體成型，所述鉆頭和鉆頭基體的下桿體的壁厚為2. 5mm，所述鉆頭的直徑為50mm ；基體材料為45號(hào)鋼。實(shí)施例2本實(shí)施例的鎳基釬料粉末由以下組分按照下列配比制成Cu :10. 3wt%,Mn 17. 2wt%,Ti :4. 5wt%,Al :7. 2wt%,Sn :2. 2wt%、余量為 Ni。制備方法如下按照所述的配比，將Cu、Mn、Ti、Al、Sn和Ni原料置于熔煉爐中，在5MPa的加壓條件下，加熱至1250°C，使得原料熔化；然后在集粉器中充入高純氬氣；利用高純氬氣對(duì)熔化后的原料進(jìn)行霧化，霧化壓力為得到鎳基釬焊粉末，所得的粉末形狀為球形，粒徑小于200 μ m，熔點(diǎn)為970°C ο實(shí)施例3本實(shí)施例的鎳基釬料粉末由以下組分按照下列配比制成Cu 12. 8wt %、Mn 21. 5wt%,Ti 7. 2wt%,Al :9. 8wt%,Sn :3. 2wt%、余量為 Ni。制備方法同實(shí)施例 2。所得的鎳基釬料粉末的熔點(diǎn)為940°C。實(shí)施例4本實(shí)施例的鎳基釬料粉末由以下組分按照下列配比制成Cu 15. 2wt %,Mn 25. 8wt%,Ti :10. 8wt%,Al :12. 6wt%,Sn :4. 5wt%、余量為 Ni。制備方法同實(shí)施例 2。所得的鎳基釬料粉末的熔點(diǎn)為880°C。
5
實(shí)施例5將實(shí)施例1制備的45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗除油和酸洗除氧化層；然后將實(shí)施例2的鎳基釬料粉末與平均粒徑為20 μ m的金剛石顆?；旌?，使得金剛石的濃度為20% ；釬焊材料的預(yù)涂覆將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鋸齒表面， 并施加冷壓，壓力為8MPa，持續(xù)時(shí)間為5秒；在10-2 的真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為 980°C，保溫時(shí)間25min。實(shí)施例6將實(shí)施例1制備的45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗除油和酸洗除氧化層；然后將實(shí)施例3的鎳基釬料粉末與平均粒徑為20 μ m的金剛石顆?；旌?，使得金剛石的濃度為20% ；釬焊材料的預(yù)涂覆將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鋸齒表面， 并施加冷壓，壓力為8MPa，持續(xù)時(shí)間為5秒；在10-2 的真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為 950°C，保溫時(shí)間25min。實(shí)施例7將實(shí)施例1制備的45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗除油和酸洗除氧化層； 然后將實(shí)施例4的鎳基釬料粉末與平均粒徑為20 μ m的金剛石顆粒混合，使得金剛石的濃度為20% ；將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鋸齒表面，并施加冷壓，壓力為8MPa，持續(xù)時(shí)間為5秒；在的真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為890°C，保溫時(shí)間 25min。比較例1將實(shí)施例1制備的45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗除油和酸洗除氧化層；然后將CuMnTi釬料粉末(其中Cu :25wt%, Mn余量的Ti，平均粒徑100 μ m)與平均粒徑為20 μ m的金剛石顆?；旌?，使得金剛石的濃度為20% ；將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鋸齒表面，并施加冷壓，壓力為8MPa，持續(xù)時(shí)間為5秒；在IO-2Pa的真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為820°C，保溫時(shí)間25min。比較例2將實(shí)施例1制備的45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗除油和酸洗除氧化層；然后 NiCrBSi 釬料粉末(其中 Ni :82wt%,Cr :12wt%,B :4wt%,Si :4wt%，平均粒徑 100 μ m) 與平均粒徑為20 μ m的金剛石顆?；旌?，使得金剛石的濃度為20% ；將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鋸齒表面，并施加冷壓，壓力為8MPa，持續(xù)時(shí)間為5秒；在10-2 的真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為1080°C，保溫時(shí)間25min。實(shí)施例5-7中的工藝釬焊溫度高于比較例1中的釬焊溫度，低于比較例2的釬焊溫度；釬焊的實(shí)際溫度低于1000°c，工藝對(duì)金剛石磨粒的熱損小，而且還保持了鎳基釬焊的高硬度和高剛性。通過對(duì)釬焊層的斷面進(jìn)行SEM觀察比較可知，本發(fā)明的釬焊工藝斷面的孔隙率含量比實(shí)施例1的低32-45%;比實(shí)施例2的低12-18%。而且實(shí)施例5_7釬焊的成品率要比比較例1-2高10-20%o對(duì)釬料層和45號(hào)鋼基體界面的元素分布進(jìn)行分析表面，釬焊元素在界面處的濃度呈現(xiàn)緩慢的過渡趨勢，這說明本發(fā)明的釬焊工藝使得釬料與基體在界面處存在著明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，由此可以認(rèn)定釬焊層與鋼基體形成了化學(xué)冶金結(jié)合，結(jié)合力牢固。利用實(shí)施例5-7制備得到的金剛石釬焊鉆頭與比較例1-2得到的金剛石釬焊鉆頭
6進(jìn)行鉆進(jìn)比較實(shí)驗(yàn)。我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例5-7的鉆頭的使用壽命均高于實(shí)施例1-2。其中實(shí)施例6的鉆頭壽命更是顯著高于比較例1-2，與之相比壽命提高了 18-32%。實(shí)施例5-7的鉆頭中金剛石的脫落率也要低于比較例1-2。 以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例，不能解釋為以此限定本發(fā)明的范圍，凡在本發(fā)明的權(quán)利要求書要求保護(hù)的范圍內(nèi)所做出的等同的變形和改變的實(shí)施方式均在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金剛石鉆頭的釬焊工藝，其特征在于包括以下步驟(1)45號(hào)鋼薄壁鉆頭基體的前處理對(duì)45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗和酸洗；(2)釬焊材料準(zhǔn)備將平均粒徑為10-200 μ m的鎳基釬料粉末與平均粒徑為3-50 μ m的金剛石顆?；旌?；(3)釬焊材料的預(yù)涂覆將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鉆頭表面；(4)在真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為850-980°C，保溫時(shí)間20-30min。
2.權(quán)利要求1所述的釬焊工藝，其特征在于所述的薄壁鉆頭基體，包括同軸設(shè)置的鉆頭基體和呈筒狀的鉆頭，所述鉆頭基體分為上桿體和下桿體，所述上桿體的一端和下桿體的內(nèi)端軸向固連，上桿體的另一端用于和電鉆機(jī)相連；其特征在于，所述的鉆頭的外端邊緣上具有若干個(gè)鉆齒，所述的鉆齒呈非連續(xù)地排列，相鄰的鉆齒之間具有U型槽，所述的鉆齒為圓弧形。
3.權(quán)利要求2所述的釬焊工藝，其特征在于所述上桿體的直徑小于下桿體且兩者的連接處具有一個(gè)擋肩。
4.權(quán)利要求3所述的釬焊工藝，其特征在于所述的鉆頭基體內(nèi)部具有一個(gè)內(nèi)腔，所述的內(nèi)腔軸向貫穿所述的鉆頭；所述的鉆頭基體的側(cè)壁上具有一個(gè)或多個(gè)與其內(nèi)腔相連通的進(jìn)水口。
5.權(quán)利要求5任一項(xiàng)所述的釬焊工藝，其特征在于所述的所述鉆頭和鉆頭基體的下桿體的壁厚為2-10mm。
6.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的釬焊工藝，其特征在于所述的堿洗是將鉆頭基體置入 8-15wt% Na0H,5-10wt% Na2C03>5-1 Owt % Na2SiO3 和 3_5wt% Na3PO4 的堿性水溶液中，清洗溫度為50-85°C，時(shí)間為10-20分鐘，除去鋼材工件表面的油污。
7.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的釬焊工藝，其特征在于所述的酸洗是將鉆頭基體置于 3-5wt%鹽酸、0. 5-1. 2wt%的硫脲水溶液中，酸洗時(shí)間為5-10分鐘，以去除基體表面的氧化層。
8.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的釬焊工藝，其特征在于真空釬焊的真空度為 1 X KT1-I X 10 ,升溫速率為60-150°C /min,冷卻方式為空冷。
9.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的釬焊工藝，其特征在于對(duì)預(yù)涂覆后的釬焊材料粉末進(jìn)行冷壓，壓力為5-12MPa，保壓時(shí)間為3-5秒。
10.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的釬焊工藝，其特征在于所述的鎳基釬料粉末的組成和含量為 Cu 10. 3-15. 2wt%,Mn :17. 2-25. 8wt%,Ti :4. 5-10. 8wt%,Al :7. 2-12. 6wt%,Sn 2. 2-4. 5wt%、余量為 Ni。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金剛石鉆頭的釬焊工藝，其特征在于包括以下步驟(1)45號(hào)鋼薄壁鉆頭基體的前處理對(duì)45號(hào)鋼鉆頭基體依次進(jìn)行噴砂、堿洗和酸洗；(2)釬焊材料準(zhǔn)備將平均粒徑為10-200μm的鎳基釬料粉末與平均粒徑為3-50μm的金剛石顆?；旌希?3)釬焊材料的預(yù)涂覆將混合好的釬焊材料粉末預(yù)涂覆在鉆頭基體的鉆頭表面；(4)在真空條件下進(jìn)行釬焊，釬焊溫度為850-980℃，保溫時(shí)間20-30min。本發(fā)明的工藝制備的釬焊鉆頭氣孔率低、金剛石和基體結(jié)合牢固，成品率高質(zhì)量穩(wěn)定。
文檔編號(hào)B23K1/20GK102294527SQ201110214699
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者華川海 申請(qǐng)人:江蘇華昌工具制造有限公司