申請號：201710540808.2
       申請人：中南大學
       發明人：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合鉆頭及其制作工藝，本發明由厚度為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構，將金剛石顆粒埋植在胎體預定位置；裝料過程中采用超聲波或其他高頻率振動平臺振動布粉，經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成一體，經機械加工制成鉆頭。本發明制成的超薄層復合鉆頭，鉆進硬巖時工作效率高、壽命長、能耗低。

       主權利要求：1.一種金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭，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構，埋植在胎體預定位置；超薄層復合鉆頭由多層鉆齒和鉆頭鋼體合成。
       2.根據權利要求1所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復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構，是以鋸片中心點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上。
       3.根據權利要求1所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭及其制作工藝，其特征在于：
       第一步：模具和鋼體準備
       根據鉆頭尺寸，選用優質合金鋼設計和加工冷壓模具，其中鋼壓頭是保證金剛石呈等距狀定位分布結構，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，抗壓強度大于45MPa的高強度高純度高密度的石墨設計和加工燒結模具；選用45#鋼加工好鉆頭鋼體；
       第二步：胎體粉末混合
       稱取質量合格的所需金屬粉末、碳化鎢粉末，加入體積分數為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，加入體積分數為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平臺上的冷壓模具中，開動超聲波或其他高頻率振動平臺振動0.5～10分鐘，振動頻率為800Hz至100000Hz，組裝好鋼壓頭后，移至壓力機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，開動超聲波或其他高頻率振動平臺振動0.5～10分鐘，振動頻率為800Hz至100000Hz，然后移至壓力機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構的放置坑，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，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定數量組裝，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，待燒結過程結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合鉆頭毛坯；
       第八步：機械加工
       將金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭毛坯，按照有關標準進行絲扣加工、水口水槽加工，即制成鉆頭待用。
       4.根據權利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭，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量的2％～70％；銅粉和錫粉各占總質量的3％～50％；碳化鎢粉占總質量的0％～50％；所用粉末粒徑為0.075mm以下。
       5.根據權利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭，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、陶瓷粉各占總質量的2％～50％，粒徑為0.1mm以下。
       6.根據權利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭，其特征在于：步驟四中所述的振動布料裝模，布料裝模時將合金鋼磨具放置在超聲波或其他高頻率振動平臺上振動1～8分鐘，振動頻率為20000Hz至80000Hz，振動平臺采用超聲波或其他高頻率振動源提供激振力。
       7.根據權利要求3所述的金剛石螺旋狀定位分布超薄層復合鉆頭，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構植于超薄工作層胎體中的預定位置，預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。