申請?zhí)枺?01710540808.2
       申請人：中南大學(xué)
       發(fā)明人：張紹和 張昊旸 曹函 孫平賀 李建中 舒彪

       摘要： 金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭及其制作工藝，本發(fā)明由厚度為0.1～1.0mm的胎體工作層超薄片和隔離層超薄片復(fù)合成鉆頭鉆齒；胎體工作層超薄片以金屬粉末、碳化鎢粉末為原料，隔離層超薄片以石墨粉、碳化硅粉、氧化鋁粉和陶瓷粉為原料；工作層超薄片冷壓成型采用螺旋狀定位分布結(jié)構(gòu)，將金剛石顆粒埋植在胎體預(yù)定位置；裝料過程中采用超聲波或其他高頻率振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)布粉，經(jīng)冷壓成型得到超薄片壓坯；組裝超薄片壓坯成鉆齒，將鉆齒和鉆頭鋼體通過中頻爐熱壓燒結(jié)成一體，經(jīng)機(jī)械加工制成鉆頭。本發(fā)明制成的超薄層復(fù)合鉆頭，鉆進(jìn)硬巖時(shí)工作效率高、壽命長、能耗低。

       主權(quán)利要求：1.一種金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭，其特征在于：由厚度為0.1～1.0mm的工作層超薄片和厚度為0.1～1.0mm隔離層超薄片復(fù)合成鉆頭的鉆齒；工作層超薄片胎體采用金屬粉末和金剛石為原料，隔離層超薄片采用石墨粉、碳化硅粉、氧化鋁粉和陶瓷粉為原料；工作層超薄片中植入的金剛石顆粒采用螺旋狀定位分布結(jié)構(gòu)，埋植在胎體預(yù)定位置；超薄層復(fù)合鉆頭由多層鉆齒和鉆頭鋼體合成。
       2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭及其制作工藝，其特征在于：工作層超薄片植入的金剛石顆粒呈螺旋狀定位分布結(jié)構(gòu)，是以鋸片中心點(diǎn)為圓心在工作層作出若干切削線；以鋸片平均半徑的1/2為半徑作基圓，將基圓分成若干等份，然后以鋸片平均半徑的2/3為半徑、以等份點(diǎn)為圓心畫圓，形成若干螺旋線，金剛石布置在切削線和螺旋線的交點(diǎn)上。
       3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭及其制作工藝，其特征在于：
       第一步：模具和鋼體準(zhǔn)備
       根據(jù)鉆頭尺寸，選用優(yōu)質(zhì)合金鋼設(shè)計(jì)和加工冷壓模具，其中鋼壓頭是保證金剛石呈等距狀定位分布結(jié)構(gòu)，利用激光雕刻法或電火花法加工；選用體積密度大于1.85g/cm3，抗壓強(qiáng)度大于45MPa的高強(qiáng)度高純度高密度的石墨設(shè)計(jì)和加工燒結(jié)模具；選用45#鋼加工好鉆頭鋼體；
       第二步：胎體粉末混合
       稱取質(zhì)量合格的所需金屬粉末、碳化鎢粉末，加入體積分?jǐn)?shù)為30％至80％的潤濕劑混合均勻，得到混合均勻的工作層粉末混合料；
       第三步：隔離層混料
       稱取質(zhì)量合格的石墨粉、碳化硅粉、氧化鋁粉、陶瓷粉隔離層原料，加入體積分?jǐn)?shù)為30％至80％的潤濕劑混合均勻，得到混合均勻的隔離層粉末混合料；
       第四步：振動(dòng)布料裝模
       稱取混合均勻的工作層粉料，裝入放置在超聲波或其他高頻率振動(dòng)平臺(tái)上的冷壓模具中，開動(dòng)超聲波或其他高頻率振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)0.5～10分鐘，振動(dòng)頻率為800Hz至100000Hz，組裝好鋼壓頭后，移至壓力機(jī)上加壓成型得到胎體工作層超薄片壓坯；稱取混合均勻的隔離層粉料裝入冷壓模具中，開動(dòng)超聲波或其他高頻率振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)0.5～10分鐘，振動(dòng)頻率為800Hz至100000Hz，然后移至壓力機(jī)上加壓成型得到隔離層超薄片壓坯；
       第五步：金剛石定位分布
       使用鋼壓頭冷壓成型得到的工作層超薄片壓坯，壓坯留有滿足金剛石呈螺旋狀定位分布結(jié)構(gòu)的放置坑，將工作層超薄片壓坯從鋼模取出，采用涂抹粘貼法將金剛石顆粒植入坑內(nèi)，制得含金剛石顆粒的工作層超薄片壓坯；
       第六步：粉末冶金法制造
       將植入金剛石顆粒的工作層超薄片壓坯和隔離層超薄片壓坯，按照工作層超薄片壓坯—隔離層超薄片壓坯—工作層超薄片壓坯—隔離層超薄片壓坯—……工作層超薄片壓坯的順序和規(guī)定數(shù)量組裝，并配好鉆頭鋼體，置于中頻爐中先通過加溫加壓，溫度逐步提升至900℃至980℃，壓力逐步加至25KN至40KN，然后降溫至700℃至790℃，降壓至15KN至25KN，進(jìn)行保溫保壓2分鐘至8分鐘，完成熱壓制作流程；
       第七步：冷卻脫模
       將置于中頻爐的石墨模具組件，待燒結(jié)過程結(jié)束和冷卻后從石墨模中取出得到金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭毛坯；
       第八步：機(jī)械加工
       將金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭毛坯，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行絲扣加工、水口水槽加工，即制成鉆頭待用。
       4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭，其特征在于：步驟二所述的胎體粉末配方是鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉、錳粉、銅粉、錫粉和碳化鎢粉；其中：鈷粉、鎳粉、鐵粉、錳粉、鈦粉和鉻粉各占總質(zhì)量的2％～70％；銅粉和錫粉各占總質(zhì)量的3％～50％；碳化鎢粉占總質(zhì)量的0％～50％；所用粉末粒徑為0.075mm以下。
       5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭，其特征在于：步驟三所述的隔離層粉料配方是石墨粉、碳化硅粉、氧化鋁粉和陶瓷粉；其中石墨粉占總質(zhì)量的5％～90％，粒徑為0.1mm以下；碳化硅粉、氧化鋁粉、陶瓷粉各占總質(zhì)量的2％～50％，粒徑為0.1mm以下。
       6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭，其特征在于：步驟四中所述的振動(dòng)布料裝模，布料裝模時(shí)將合金鋼磨具放置在超聲波或其他高頻率振動(dòng)平臺(tái)上振動(dòng)1～8分鐘，振動(dòng)頻率為20000Hz至80000Hz，振動(dòng)平臺(tái)采用超聲波或其他高頻率振動(dòng)源提供激振力。
       7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復(fù)合鉆頭，其特征在于：步驟五中所述的金剛石放射狀定位分布，使用的金剛石體積濃度為5％～50％，粒徑為0.045～0.60mm，金剛石顆粒按放射狀定位分布結(jié)構(gòu)植于超薄工作層胎體中的預(yù)定位置，預(yù)定位置是利用激光雕刻法或電火花法加工冷壓成型的鋼壓頭，用鋼壓頭表面的凹凸坑位置來確定預(yù)定位置，冷壓成型的超薄工作層壓坯中凹坑即為金剛石顆粒植入處，采用涂抹粘貼法將金剛石顆粒置于坑內(nèi)。