CN103084574B - 一种金刚石钻头的制备方法及其烧结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石钻头的制备方法及其烧结装置。该方法包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序，其热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制。烧结装置由热压机、中频电源和控制***组成。控制***通过红外测温仪实时检测烧结温度，并通过控制器调节中频电源的电流和工作频率，同时通过压力传感器实时检测油缸压力，使之按照***设定的温度和压力曲线运行。本发明制作工艺简单，烧结装置采用全数控控制，自动化程度高，烧结用石墨模具尺寸小，节能降耗。采用本发明制备工艺和烧结装置制造孕镶金刚石钻头，可使钻头平均制造时间缩短40%，电能消耗减少36%，工作寿命提高40%以上。

Description

一种金刚石钻头的制备方法及其烧结装置

技术领域

本发明属于一种钻头制备方法及其烧结装置，具体涉及一种孕镶金刚石钻头的制备方法及其烧结装置。

背景技术

孕镶金刚石钻头是地质勘探必不可少的工具，工程需求量大。当前国内生产孕镶金刚石钻头的主要方法是粉末冶金法，其中主要工序环节包括有四步：即：配料装模、冷压成型、加热烧结和后序处理，其中“冷压成型”和“加热烧结”两个工艺环节分别使用独立的液压设备和中频感应加热设备进行，人工操作贯通工序全过程。

现有金刚石钻头制造工艺存在如下三点不足：一是钻头压烧制造过程中，冷压成型和加热烧结是分开进行的，工序繁杂，周期较长。二是冷压成型为单向刚性模压，压力固定不变，钻头胎体内部压力梯度大，钻头胎体密度提高受限，且不均匀。三是加热烧结为简单的中频感应加热，频率固定不可调，无法同时满足配方材料中的不同金属粉末的烧结温度要求，金刚石石墨化现象无法控制，导致钻头胎体烧结强度和质量也存在局限性。因此，现有钻头生产制造工艺效率不高，其质量受人工操作因素影响波动大，不够稳定。

CN102274972公开了“一种环状超薄金刚石钻头的制造方法”，该方法主要包括钢体制作、配混料、粉料填装、加热加压烧结、后续加工等工序。其中加热加压烧结采用高频焊机给模具加热，粉料直接烧结到钢体上。该方法将“压制成型”与“加热烧结”合二为一同时进行，减少了操作工序和制备时间，减轻了操作强度，但由于高频感应频率不可调，加热温度不能同时满足配制粉料中的不同金属粉末的烧结要求，制造出的钻头胎体固结度有限，在烧结过程中金刚石烧损严重。

CN101144370提供了一种“热压高磷铁基金刚石钻头的制备方法”， 该方法包括备料、配粉和混料、装模、热压烧结等工序，其中热压烧结采用中频电炉烧结。该方法采用热压工序，减少了操作工序和制备时间，减轻了操作强度，但由于热压过程为单向刚性施压，配制粉料中存在压力梯度，胎体的不同部位密度不均匀，制造出的钻头胎体固结度和使用寿命也极为有限。

为了提高金刚石钻头的生产效率和产品质量，本申请人曾尝试采用加大冷压成型压力，提高烧结设备的温控和精度等办法来改善钻头产品的质量，虽然产品质量有所提高，但仍存在生产周期延长，手工操作工序增多，产品质量不稳定等不足，综合效果不够理想。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用变中频烧结、双向振动施压、双轨温度和压力曲线控制工艺制备金刚石钻头的方法。

本发明的另一个目的是提供一种采用变中频烧结、双向振动施压、双轨曲线控制工艺制备金刚石钻头的专用烧结装置。

本发明的目的是这样实现的：一种金刚石钻头的制备方法，包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序，其特征在于该制备方法热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制，将预先配制的合金粉与金刚石按配比混合均匀得金属粉料，填装入模具置于变中频感应圈中，边加热边实施双向振动式加压烧结，其温度和压力实施双轨曲线控制，经保温退模后为半成品，再经后续处理得成品；

所述的配料装模工序：所述的合金粉与金刚石的配比为1:10～15；

所述的热压烧结工序：所述的热压振动烧结温度为400～950℃，压力为10～70KN，压头振动频率为700～1000次/分，振幅为4～9mm；

所述的保温退模工序：将热压烧结后的石墨模具置于珍珠岩沙石中，保温冷却至室温后退出模具；

所述的后续处理工序：脱模后的钻头无需机械加工开水口，直接打磨、抛光、喷漆、打标、包装即成金刚石钻头成品。

所述的热压烧结工序，包括如下步骤：

①将填装有金属粉料的石墨模具，置于作为中频电源发生器的输出部分的感应圈中、上下压头之间；

②将烧结装置设置为自动双向振动压制、自动变中频烧结程序，按工艺参数要求设置好各段温度与压力参数值，将控制曲线保存待执行；

③启动烧结装置，对石墨模具边加热边实施双向振动式加压，其温度和压力实施双轨曲线控制工艺，热压烧结温度480～840℃，压力12～65KN，压头振动频率800～900次/分，振幅5～8mm；

所述双轨温度和压力控制曲线之一为：温度从480℃～840℃斜率升高，到3分钟时升高到840℃，在3～7分钟内保温4分钟，在7～8.5分钟时间内斜率降温，到8.5分钟时，停止加热，油缸回程；压力从13kN～55kN斜率升高，到3分钟时升高到55kN，在3～8.5分钟时间内保压，到8.5分钟时油缸回程；

所述双轨温度和压力控制曲线之二为：温度从480℃～690℃斜率升温，到2分钟时达到690℃，在2～3分钟内保温1分钟，在3～4分钟时间内斜率升温，到4分钟达到860℃，在4～6分钟内保温2分钟，在6～7分钟时间内斜率降温到740℃，在7～8分钟内保温1分钟，在8～8.5分钟内斜率降温，到8.5分钟后停止加热，油缸回程；压力从13kN～45kN斜率升高，到2分钟时升到45kN，从2～3分钟保压1分钟，从3～4分钟压力斜率升高到65kN，从4～6分钟保压2分钟，在6～7分钟压力斜率降低，到7分钟时降到45kN，在 7～8.5分钟时间内保压，到8.5分钟油缸回程。

一种制备金刚石钻头的烧结装置，包括热压机、中频电源和控制柜，热压机的下部设置有液压***，中部设置有上、下压头、感应圈、红外测温仪，控制柜外部设置有面板和操作台，内部设置有控制器，控制器包括单片机、温控芯片和可控硅触发模块，单片机与液压***、红外测温仪和温控芯片连接，温控芯片与可控硅触发模块连接，可控硅触发模块与中频电源连接，中频电源与感应圈连接，其特征在于所述的液压***为带振动装置的振动液压***，热压机的上、下两个压头分别与振动液压***连接，所述的中频电源为变中频电源发生器。

所述的变中频电源发生器设置有至少两路变频电路。

本发明装置由控制器、红外测温仪、中频电源和温控芯片组成温度闭环控制，由控制器、振动液压***和可控硅触发模块组成压力闭环控制。工作时，控制器利用红外测温仪实时检测烧结的温度，并通过控制器调节中频电源的加热电流和工作频率，使之按照***设定的温度曲线运行。同时，利用振动液压***中的压力传感器实时检测液压***的油缸压力，并通过控制器调节电液比例阀和可控硅触发模块，使之按照***设定的压力曲线运行。

与现有技术相比，本发明的优点是:

1、在一台设备上集成了加热、液压和振动***，执行“双向振动热压烧结”过程，同时在热压烧结过程中，运用双轨温度和压力曲线控制，满足不同用户及不同配方材料的工艺要求，保证生产工艺过程全自动化和产品质量的一致性，大大提高了钻头的生产效率和使用寿命。

2、将“热”操作由“恒中频”加热变为“变中频”加热，合理利用不同频率加热作用的表热和透热，来加热胎体不同部位的金属粉料，有效提高胎体烧结强度，保护金刚石颗粒避免石墨化，并提高了烧结温度适用性，保障实现金刚石钻头产品质量稳定，实现制造过程节能环保。

3、将“压”操作由“单向恒压”变为“双向振动施压”，即在恒压控制信号的基础上叠加有一定频率和幅值的振动信号，从而产生振动式加压作用，实现烧结过程中的振动压制，利用振动冲击力压实和振动间隙排气，有效提高压坯的致密度。

附图说明

图1为本发明制备工艺流程框图。

图2为本发明双轨温度和压力曲线图之一。

图3为本发明双轨温度和压力曲线图之二。

图4为本发明烧结装置结构示意图。

图5为本发明烧结装置电路连接框图。

图6为本发明烧结装置控制原理框图。

图7为本发明中频电源电路框图。

图中：热压机1、感应圈11、上压头12、下压头13、液压***14、压力表15、中频电源2、控制按钮21、控制柜3、面板31、操作台32、控制器33、单片机33a、温控芯片33b、可控硅触发模块33c、红外测温仪4。

具体实施方式

以下实施例结合附图，对本发明作进一步说明。

参见图1，一种金刚石钻头的制备方法，包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序。配料装模工序是将预先配制的合金粉与金刚石按1:10～15的配比混合均匀得金属粉料，填装入石墨模具，本实施例配比为1:12。热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制工艺，对置于变中频感应圈的石墨模具实施双向振动式热压烧结，烧结温度为400～950℃，压力为10～70KN，压头振动频率为700～1000次/分，振幅为4～9mm。保温退模工序是将热压烧结后的石墨模具置于珍珠岩沙石中，保温冷却至室温后退出模具为半成品。后续处理工序是将脱模后的钻头半成品无需机械加工开水口，直接打磨、抛光、喷漆、打标、包装成金刚石钻头成品。

本实施例热压烧结工序的具体步骤是：将填装有金属粉料的石墨模具，置于作为中频电源输出部分的感应圈中、上下压头之间；将烧结装置设置为自动双向振动压制、自动变中频烧结，并按工艺参数要求设置好各段温度与压力参数值，控制曲线保存待执行状态；启动热压机和中频电源，对石墨模具边加热边实施双向振动式加压，热压烧结温度480～860℃，压力12～65KN，压头振动频率设置为850次/分，振幅设置为7mm。在热压烧结过程中，温度和压力实施双轨曲线控制工艺。双轨温度和压力控制曲线之一为：温度从480℃～840℃斜率升高，到3分钟时升高到840℃，在3～7分钟内保温4分钟，在7～8.5分钟时间内斜率降温，到8.5分钟时，停止加热，油缸回程；压力从13kN～55kN斜率升高，到3分钟时升高到55kN，在3～8.5分钟时间内保压，到8.5分钟时油缸回程（参见图2）。双轨温度和压力控制曲线之二为：温度从480℃～690℃斜率升温，到2分钟时达到690℃，在2～3分钟内保温1分钟，在3～4分钟时间内斜率升温，到4分钟达到860℃，在4～6分钟内保温2分钟，在6～7分钟时间内斜率降温到740℃，在7～8分钟内保温1分钟，在8～8.5分钟内斜率降温，到8.5分钟后停止加热，油缸回程；压力从13kN～45kN斜率升高，到2分钟时升到45kN，从2～3分钟保压1分钟，从3～4分钟压力斜率升高到65kN，从4～6分钟保压2分钟，在6～7分钟压力斜率降低，到7分钟时降到45kN，在 7～8.5分钟时间内保压，到8.5分钟油缸回程（参见图3）。

参见图4～7，一种制备金刚石钻头的烧结装置，包括热压机1、中频电源2和控制柜3，热压机1的下部设置有液压***11，中部设置有上、下压头12和13、感应圈14、红外测温仪4，上部设置有压力表15。控制柜3外部设置有面板31和操作台32，内部设置有与面板31和操作台32连接的控制器33。控制器33包括单片机33a、温控芯片33b和可控硅触发模块33c，单片机33a与液压***14、红外测温仪4和温控芯片33b连接，温控芯片33b与可控硅触发模块33c连接，可控硅触发模块33c与中频电源2连接，中频电源2与感应圈14连接。热压机的液压***11为带振动装置的振动液压***，振动频率为700～1000次/分，振幅4～9mm，本实施例振动频率设置为850次/分，振幅设置为7mm。热压机的上、下两个压头12和13分别与振动液压***11连接。振动液压***11中还设置有压力传感器和电液比例阀。中频电源2为有至少两路中频谐振电路的变中频电源发生器，本实施例设置了三路中频谐振电路，通过自动转换开关，按温度需要自动切换实现变频烧结。

本发明烧结装置采用了数字的智能PID控制技术，设置并存储了100组以上的温度和压力曲线数据，在烧结过程中，能够按照预先设定的温度和压力曲线运行，可根据工艺需要随时选用和修改，多次重复烧结时，能保证工艺参数的稳定性和一致性，并具有自诊断功能，能够自动监测***的运行故障，包括过热、缺水、通讯错误等，能够给予故障报警信号并停机待修。

本发明烧结装置温度和压力的控制以及数据的处理由专用软件实现，由于软件不属本发明保护范围，在此不作详细说明。

本发明制作工艺简单，烧结装置采用全数控控制，自动化程度高，烧结用石墨模具尺寸小，节能降耗。采用本发明制备工艺和烧结装置制造孕镶金刚石钻头，可使钻头平均制造时间缩短40%，电能消耗减少36%，工作寿命提高40%以上。 

Claims (5)

1.一种金刚石钻头的制备方法，包括配料装模、热压烧结、保温退模和后续处理工序，其特征在于该制备方法热压烧结工序采用变中频烧结、双向振动施压和双轨温度和压力曲线控制工艺，将预先配制的合金粉与金刚石按配比混合均匀得金属粉料，填装入模具置于变中频感应圈中，边加热边实施双向振动式加压烧结，其温度和压力实施双轨曲线控制，经保温退模后为半成品，再经后续处理工序得成品；

所述的配料装模工序：所述的合金粉与金刚石的配比为1:10～15；

所述的热压烧结工序：所述的热压振动烧结温度为400～950℃，压力为10～70KN，压头振动频率为700～1000次/分，振幅为4～9mm；

所述的保温退模工序：将热压烧结后的石墨模具置于珍珠岩沙石中，保温冷却至室温后退出模具；

所述的后续处理工序：脱模后的钻头无需机械加工开水口，直接打磨、抛光、喷漆、打标、包装即成金刚石钻头成品。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头的制备方法，其特征在于所述的热压烧结工序包括如下步骤：

①将填装有金属粉料的石墨模具，置于作为变中频电源发生器的输出部分的感应圈中、上下压头之间；

②将烧结装置设置为自动双向振动压制、自动变中频烧结程序，按工艺参数要求设置好各段温度与压力参数值，将控制曲线保存待执行；

③启动烧结装置，对石墨模具边加热边实施双向振动式加压，其温度和压力实施双轨曲线控制工艺，热压烧结温度480～840℃，压力12～65KN，压头振动频率800～900次/分，振幅5～8mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种金刚石钻头的制备方法，其特征在于所述双轨温度和压力控制曲线之一为：温度从480℃～840℃斜率升高，到3分钟时升高到840℃，在3～7分钟内保温4分钟，在7～8.5分钟时间内斜率降温，到8.5分钟时，停止加热，油缸回程；压力从13kN～55kN斜率升高，到3分钟时升高到55kN，在3～8.5分钟时间内保压，到8.5分钟时油缸回程；所述双轨温度和压力控制曲线之二为：温度从480℃～690℃斜率升温，到2分钟时达到690℃，在2～3分钟内保温1分钟，在3～4分钟时间内斜率升温，到4分钟达到860℃，在4～6分钟内保温2分钟，在6～7分钟时间内斜率降温到740℃，在7～8分钟内保温1分钟，在8～8.5分钟内斜率降温，到8.5分钟后停止加热，油缸回程；压力从13kN～45kN斜率升高，到2分钟时升到45kN，从2～3分钟保压1分钟，从3～4分钟压力斜率升高到65kN，从4～6分钟保压2分钟，在6～7分钟压力斜率降低，到7分钟时降到45kN，在 7～8.5分钟时间内保压，到8.5分钟油缸回程。

4.一种制备金刚石钻头的烧结装置，包括热压机（1）、中频电源（2）和控制柜（3），热压机（1）的下部设置有液压***（11），中部设置有上压头（12）、下压头（13）、感应圈（14）、红外测温仪（4），控制柜（3）外部设置有面板（31）和操作台（32），内部设置有控制器（33），控制器（33）包括单片机（33a）、温控芯片（33b）和可控硅触发模块（33c），单片机（33a）与液压***（11）、红外测温仪（4）和温控芯片（33b）连接，温控芯片（33b）与可控硅触发模块（33c）连接，可控硅触发模块（33c）与中频电源（2）连接，中频电源（2）与感应圈（14）连接，其特征在于所述的液压***（11）为带振动装置的振动液压***，热压机（1）的上压头（12）和下压头（13）分别与振动液压***连接，所述的中频电源（2）为变中频电源发生器。

5.根据权利要求4所述的一种制备金刚石钻头的烧结装置，其特征在于所述的变中频电源发生器设置有至少两路中频谐振电路。