一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法，所述潜孔钻头包括钻头库体、安装于钻头库体工作面凹槽内的球齿、孕镶金刚石层；所述孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面；所述孕镶金刚石层由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为5～35％。本发明专利技术中孕镶金刚石层的制造采用先进的熔融沉积3D打印成型

【技术实现步骤摘要】
一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法


[0001]本专利技术主要属于机械工程和钻掘工程领域，具体涉及一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法。

技术介绍

[0002]潜孔钻头作为大功率凿岩机的配套产品，主要用于隧道、地下开采、露天矿山及采石场等工程掘进施工中，潜孔钻头是通过冲击或冲击回转方式破碎岩石的，工作过程中对其抵抗破裂、疲劳断裂、韧性和耐磨性的要求越来越高。目前，潜孔钻头库体部位耐磨等性能严重不足，工作过程中库体部位磨损较快，导致球齿脱落而缩短钻头使用寿命和降低钻头钻进效率。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种熔融沉积3D打印成型的潜孔钻头及其制备方法。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]本专利技术一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，所述潜孔钻头包括钻头库体、安装于钻头库体工作面凹槽内的球齿、孕镶金刚石层；所述孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面；所述孕镶金刚石层由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为5～35％。
[0006]本专利技术在钻头库体工作面的表面设置一层孕镶金刚石层，所述孕镶金刚石层与钻头库体的结合性能好，可以大幅提高钻头库体工作面的耐磨损性能，从而保证球齿与库体的磨损趋于一致，避免球齿过早脱落，进而提高钻头使用寿命和钻进效率。
[0007]在本专利技术中，所述库体是由高强度钢所制成。
[0008]优选的方案，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为18～25％。将金刚石的体积分数控制在上述范围内，最终钻头的耐磨性最佳。
[0009]优选的方案，所述孕镶金刚石层的厚度为0.5～15mm。优选为2-8mm
[0010]优选的方案，所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～60％、Co15～40％、Cu5～30％。
[0011]进一步的优选，所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe 50～60％、Co25～30％、Cu 15～20％。
[0012]优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.15～0.3mm。
[0013]优选的方案，所述球齿为硬质合金球齿或复合片球齿。
[0014]优选的方案，所述孕镶金刚石层通过熔融沉积3D打印成型设置于钻头库体工作面的表面。
[0015]专利技术人发现，通过熔融沉积3D打印成型将孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的
表面能够提高耐磨层与钻头库体的结合度，且打印精度较高，保证耐磨层材料的均匀性，并能够有效降低原材料的损耗，进一步节省了制作成本。此外，相比传统的电镀法制造工艺，该工艺能够有效地缩短产品的加工时间，可以提高产品的制作效率。
[0016]本专利技术一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，混合获得混合料，将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料，然后通过熔融沉积3D打印成型，在钻头库体工作面逐层铺设颗粒料打印，获得表面设置有孕镶金刚石坯体层的钻头库体，脱脂、烧结，获得含表面设置有孕镶金刚石层的钻头库体，再于钻头库体工作面的凹槽内，镶嵌合金球齿，即得到潜孔钻头。
[0017]优选的方案，所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～60％、Co15～40％、Cu5～30％，
[0018]进一步的优选，所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，Fe 50～60％、Co25～30％、Cu 15～20％。
[0019]优选的方案，所述FeCoCu预合金粉末的粒径≤0.074mm，优选为0.035～0.074mm。
[0020]优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.15～0.3mm。
[0021]优选的方案，所述粘结剂，按质量百分比计，组成如下：聚甲醛65～80％、聚丙烯8～15％、氧化锌7～12％、邻苯二甲酸二丁酯3～8％、石蜡2～5％。
[0022]进一步的优选，所述粘结剂，按质量百分比计，组成如下：聚甲醛72～76％、聚丙烯8～10％、氧化锌8～10％、邻苯二甲酸二丁酯4～5％、石蜡3～4％。
[0023]优选的方案，所述粘结剂的加入量为FeCoCu预合金粉末与金刚石质量之和的3～15％，优选为5～10％。
[0024]优选的方案，所述熔融沉积3D打印成型的工艺参数为：温度100～240℃，单层打印厚度0.1～1.0mm。
[0025]进一步的优选，所述熔融沉积3D打印成型的工艺参数为：温度180～200℃，单层打印厚度0.3～0.5mm。
[0026]优选的方案，所述脱脂的温度为50～80℃，脱脂的时间为5～10h。
[0027]优选的方案，所述烧结工艺参数为：以3.5～5℃/min的升温速率，从室温升温至300℃～350℃，保温1～2h；然后以2.5～4℃/min的升温速率升温至750℃～800℃，保温1～2h；再以1.5～3℃/min的升温速率升温至900℃～950℃保温1～2h；然后随炉冷却。
[0028]在实际操作过程中，采用熔融沉积3D打印成型法将孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面的过程为：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型3D打印设备中；将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型3D打印机的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型3D打印机的工作参数，即喷嘴温度100～240℃，即单层打印厚度0.1～1.0mm，启动设备，在钻头库体工作面逐层打印，直至孕镶金刚石层生坯打印到设定厚度；即获得表面设置有孕镶金刚石坯体层的钻头库体。
[0029]原理与优势
[0030]本专利技术提供了一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头及其制备方法，在钻头库体工作面的表面设置一层孕镶金刚石层，所述孕镶金刚石层与钻头库体的结
合性能好，可以大幅提高钻头库体工作面的耐磨损性能，从而避免球齿脱落，进而提高钻头使用寿命和提高钻头钻进效率，在本专利技术中孕镶金刚石层采用FeCoCu合金，其耐磨性能较强，有助于改善硬质合金潜孔钻头库体部位的耐磨能力；采用熔融沉积3D打印成型法工艺简单快捷；利用粉末冶金烧结法有助于提高镀层与库体的结合力，改善了孕镶金刚石层的抗冲击能力；在库体部位涂覆孕镶金刚石层，熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法与传统的对库体进行热处理方法相比，大幅度提高了库体的耐磨能力，延长了钻头使用寿命，提高了钻头钻进效率。
附图说明
[0031]图1是熔融沉积3D打印成型硬质合金潜孔钻头钢体；1-库体工作面孕镶金刚石层；2-硬质合金球齿凹槽；3-钻头库体。
[0032]图2是熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结法涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述潜孔钻头包括钻头库体、安装于钻头库体工作面凹槽内的球齿、孕镶金刚石层；所述孕镶金刚石层设置于钻头库体工作面的表面；所述孕镶金刚石层由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为5～35％。2.根据权利要求1所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述孕镶金刚石层的厚度为0.5～15mm。所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～60％、Co15～40％、Cu5～30％；所述金刚石的粒径≤0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述球齿为硬质合金球齿或复合片球齿。4.根据权利要求1所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头，其特征在于：所述孕镶金刚石层通过熔融沉积3D打印成型设置于钻头库体工作面的表面。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种含熔融沉积3D打印成型孕镶金刚石层的潜孔钻头的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按设计比例配取FeCoCu预合金粉末、粘结剂，混合获得混合料，将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料，然后通过熔融沉积3D打印成型，在钻头库体工作面逐层铺设颗粒料打印，获得表面设置有孕镶金刚石坯体层的钻头库体，脱脂、烧结，获得含表面设置有孕镶金刚石层的钻头库体，再于钻头库体工作面的凹槽内，镶嵌合金球齿，即得到潜孔钻头。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：王文彬，何焘，何红生，刘磊磊，肖金成，巩书华，蔡宁波，张绍和，杜江，董旭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：