一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具及其加工工艺

摘要

一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具，包括一体制成的杆部和头部，头部的工作端面上均匀开设有若干个圆柱槽，每个圆柱槽的底部均呈内小外大的圆锥形结构，圆柱槽底部设置有防冲击垫片，圆柱槽内过盈装配有合金齿，合金齿的内端面与防冲击垫片接触，合金齿凸出于头部的工作端面的齿尖呈半球形结构；齿尖外表面设置有金刚石耐磨层。本发明还公开了一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具的加工工艺。本发明有效减少合金齿与凿岩工具基体的应力接触，提高凿岩工具寿命，降低凿岩成本，增强了凿岩工具的耐磨性，也大大提高了施工掘进效率。

说明书

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具及其加工工艺。

背景技术

目前，多数的凿岩工具由合金齿与凿岩工具基体通过焊接或过赢配合的方式装配在一起。工作过程中凿岩工具与岩石之间发生频繁而强烈的冲击，合金齿与凿岩工具基体承受着交变载荷的作用，经常造成合金齿断裂或基体齿孔的崩裂。通过大量的工程实践证明，合金齿与凿岩工具基体过赢配合的方式装配在一起，合金齿与凿岩工具基体之间存在较多应力集中的现象。减少合金齿与凿岩工具基体的应力接触可以有效减少合金齿断裂或基体齿孔崩裂的概率。由于合金齿的材质，在硬岩和砂岩岩层中作业，也存在耐磨性差或者容易断裂的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种韧性强、硬度高、耐磨性高、抗压性能好、合金齿不易断裂的电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具及其加工工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具，包括一体制成的杆部和头部，头部的工作端面上均匀开设有若干个圆柱槽，每个圆柱槽的底部均呈内小外大的圆锥形结构，圆柱槽底部设置有防冲击垫片，圆柱槽内过盈装配有合金齿，合金齿的内端面与防冲击垫片接触，合金齿凸出于头部的工作端面的齿尖呈半球形结构；齿尖外表面电镀有金刚石耐磨层；

杆部和头部的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.38～0.48%、Si为0.6 ～0.8%、Mn为1.20 ～1.55%、Cr为2.7 ～3.5%、Mo为2.6～3.4%、V为1.05～1.40%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；

合金齿采用硬质合金材料制成，各原料所占的质量百分比分别为：主要成分是碳化钨WC为85 ～94%、Co为15%-6%；

防冲击垫片的各原料所占的质量百分比分别为：铜为57.0～62%、铝为6.0～8.0%，铁为1.0～4.0%、铅为0.8～1.5%、镍为1～2%、锌为24～35%、镁为0.01～1%以及不可避免的杂质<0.5%；防冲击垫片为圆形，防冲击垫片的直径比圆柱槽小1-2毫米，防冲击垫片厚度为1.5-3.2毫米。

杆部和头部的整体硬度为HRC53～57，冲击韧性25～32J/cm2；防冲击垫片合金具有500MPa以上的抗拉强度，硬度为HB300～400。

一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具的加工工艺，包括以下步骤：（1）加工制作一体成型的杆部和头部，杆部和头部的各原料依次经过电炉冶炼、精炼、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工获得凿岩工具基体粗坯；凿岩工具基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次高温回火、低温去应力处理、精加工、获得整体硬度HRC53～57的凿岩工具基体成品，使用钻机在头部的工作端表面均匀钻若干个圆柱槽；

（2）制作防冲击垫片，同时将合金齿的齿尖放置到电镀液中进行电镀作业，电镀的金刚石粒度为10/20～30/40目，在齿尖表面电镀上金刚石耐磨层的厚度为1.0～1.6mm；

（3）将防冲击垫片放置到圆柱槽底部；

（4）将合金齿镶嵌到圆柱槽内，使合金齿的内端面与防冲击垫片接触。

步骤（2）中合金齿的齿尖放置到电镀液中进行电镀作业的具体制作步骤为：

a、电镀液配制：调整电镀液的 pH 值为 3.8～4.2，控制电镀液温度为 40～50℃；

b、金刚石清洗：金刚石粉末为镀镍金刚石块研磨而成，将金刚石粉末依次用丙酮、盐酸和NaOH溶液浸泡后过滤；然后用碱性清洗液对待镀的齿尖表面的油污和氧化层进行清洗处理；

c、预镀 ：将齿尖放入电镀液中，在齿尖适镀面部分先电镀一层预镀层，预镀电流密度为1.2～1.8A/dm2，预镀层厚度为 15～20μm；

d、上砂：将金刚石粉末加入电镀液中，将待镀的齿尖的预镀层埋入电镀液中，不断搅拌电镀混合液，对齿尖镀面部分施加400～1000mT 的磁感应强度，使金刚石粉末吸附到齿尖镀面部分，使金刚石粉末全面覆盖到齿尖的预镀层表面并与齿尖紧密结合；

e、加厚：上砂后用电镀液冲洗除去镀面部分外围的浮砂，再放入金刚石粉末，不断搅拌的电镀液，在电镀层外进一步加厚镀层，电镀的电流密度为1.6～2.0A/dm2，加厚镀层厚度为金刚石磨料平均粒度的65%；

f、去应力处理 ：对加厚电镀后的齿尖和电镀层进行150～250℃低温处理 1 ～ 2h即可去除应力。

所述电镀液中硫酸钴的质量浓度为22～25g/L、硫酸镍的质量浓度为180～198g/L、氯化钠的质量浓度为16～20g/L。

采用合金齿作为电镀阴极，金属板作为电镀阳极，所述金属板为金属镍板。

电镀阳极材料镀前处理 ：用质量分数为20%的硫酸溶液浸泡金属镍板以除去表面氧化组织。

步骤（2）中防冲击垫片具体制作步骤为：防冲击垫片的各原料在1200℃～1350℃的温度条件下进行熔炼；然后通过半连续或连续铸造成圆铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃；所述圆铸锭经过挤压、锻造或者机加工成成品；挤压温度为700℃～850℃，锻造温度为700℃～850℃。

步骤（4）中将合金齿镶嵌到圆柱槽内采用过盈配合的镶嵌方式，过盈量控制在0.05mm。

步骤（1）中凿岩工具基体粗坯经高温真空淬火加二次高温回火的规范为：淬火温度1040℃-1070℃，淬火油温度30℃-50℃，回火温度580℃-600℃、540℃-560℃各一次。

采用上述技术方案，防冲击垫片的主要元素为铜、锌等，具有良好的塑性。原来由于合金齿与圆柱槽底部之间为刚性接触，当合金齿受到猛烈冲击时，由于接触面积较小，经常造成合金齿断裂或基体齿孔的崩裂。本发明通过可塑性强的防冲击垫片，合金齿与圆柱槽底部之间为非刚性接触，有效减少合金齿与凿岩工具的头部的应力集中现象。

铅能改善防冲击垫片的切削性能；这可以使防冲击垫片具有良好的可切削性能，易于按要求加工成垫片尺寸。铝能提高防冲击垫片的的强度、硬度和耐蚀性。镁能够细化晶粒、净化熔体、除气的作用，还可使铸造组织中变为团球状，分布趋于均匀，因此可以添加镁用于改善合金组织等性能，且含量为0.01～1%。

本发明中含碳量为0.38～0.48%，并增加Mo的含量，虽然杆部与头部的整体硬度下降为HRC53～57，但杆部与头部的冲击韧性有较大程度提高为25～32J/cm2，保证了杆部与头部具有极高的韧性，避免刀圈断裂现象出现。合金齿采用金刚石耐磨层大大增强了合金齿的耐磨性。本发明使合金齿的高冲击韧性和金刚石耐磨层高的抗压强度、硬度和耐磨性结合起来，故能轻易破碎岩石的同时具有极高的寿命，也大大提高了施工掘进效率。

采用电镀的工艺，把金刚石粉末电镀到凿岩工具基体的外圆周表面，采用独特的加工工艺使合金齿具有极高的韧性。通过对电镀后的合金齿和电镀层进行低温处理去应力处理，提高合金齿和电镀层之间的结合力。本发明加工成的电镀合金齿不仅表面细致、含有的杂质少，且其具有高耐磨性及高工作寿命。

综上所述，在圆柱槽底部设置防冲击垫片，镶嵌在圆柱槽内的合金齿与防冲击垫片接触，通过该防冲击垫片的弹性及倒角，有效减少合金齿与凿岩工具基体的应力接触，提高凿岩工具寿命，降低凿岩成本。合金齿和金刚石耐磨层经过一系列加工工艺制作而成，金刚石耐磨层大大增强了凿岩工具的耐磨性。合金齿采用独特的加工工艺使合金齿具有极高的韧性，金刚石耐磨层具有很高的抗压强度、硬度和耐磨性高，故能轻易破碎岩石的同时具有极高的寿命，也大大提高了施工掘进效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中合金齿安装在圆柱槽内的放大图；

图3是图2中防冲击垫片的俯视图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的一种电镀金刚石耐磨层防冲击凿岩工具，包括一体制成的杆部1和头部2，头部2的工作端面上均匀开设有若干个圆柱槽，每个圆柱槽的底部均呈内小外大的圆锥形结构，圆柱槽底部设置有防冲击垫片3，圆柱槽内过盈装配有合金齿4，合金齿4的内端面与防冲击垫片3接触，合金齿4凸出于头部2的工作端面的齿尖呈半球形结构；齿尖外表面电镀有金刚石耐磨层5；

杆部1和头部2的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.38～0.48%、Si为0.6 ～0.8%、Mn为1.20 ～1.55%、Cr为2.7 ～3.5%、Mo为2.6～3.4%、V为1.05～1.40%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；

合金齿4采用硬质合金材料制成，各原料所占的质量百分比分别为：主要成分是碳化钨WC为85 ～94%、Co为15%-6%；

防冲击垫片3的各原料所占的质量百分比分别为：铜为57.0～62%、铝为6.0～8.0%，铁为1.0～4.0%、铅为0.8～1.5%、镍为1～2%、锌为24～35%、镁为0.01～1%以及不可避免的杂质<0.5%；防冲击垫片3为圆形，防冲击垫片3的直径比圆柱槽小1-2毫米，防冲击垫片3厚度为1.5-3.2毫米。

杆部1和头部2的整体硬度为HRC53～57，冲击韧性25～32J/cm2；防冲击垫片3合金具有500MPa以上的抗拉强度，硬度为HB300～400。

一种电镀金刚石耐磨层5防冲击凿岩工具的加工工艺，包括以下步骤：（1）加工制作一体成型的杆部1和头部2，杆部1和头部2的各原料依次经过电炉冶炼、精炼、预锻、模锻、缓冷、退火、粗加工获得凿岩工具基体粗坯；凿岩工具基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次高温回火、低温去应力处理、精加工、获得整体硬度HRC53～57的凿岩工具基体成品，使用钻机在头部2的工作端表面均匀钻若干个圆柱槽；

（2）制作防冲击垫片3，同时将合金齿4的齿尖放置到电镀液中进行电镀作业，电镀的金刚石粒度为10/20～30/40目，在齿尖表面电镀上金刚石耐磨层5的厚度为1.0～1.6mm；

（3）将防冲击垫片3放置到圆柱槽底部；

（4）将合金齿4镶嵌到圆柱槽内，使合金齿4的内端面与防冲击垫片3接触。

步骤（2）中合金齿4的齿尖放置到电镀液中进行电镀作业的具体制作步骤为：

a、电镀液配制：调整电镀液的 pH 值为 3.8～4.2，控制电镀液温度为 40～50℃；

b、金刚石清洗：金刚石粉末为镀镍金刚石块研磨而成，将金刚石粉末依次用丙酮、盐酸和NaOH溶液浸泡后过滤；然后用碱性清洗液对待镀的齿尖表面的油污和氧化层进行清洗处理；

c、预镀 ：将齿尖放入电镀液中，在齿尖适镀面部分先电镀一层预镀层，预镀电流密度为1.2～1.8A/dm2，预镀层厚度为 15～20μm；

d、上砂：将金刚石粉末加入电镀液中，将待镀的齿尖的预镀层埋入电镀液中，不断搅拌电镀混合液，对齿尖镀面部分施加400～1000mT 的磁感应强度，使金刚石粉末吸附到齿尖镀面部分，使金刚石粉末全面覆盖到齿尖的预镀层表面并与齿尖紧密结合；

e、加厚：上砂后用电镀液冲洗除去镀面部分外围的浮砂，再放入金刚石粉末，不断搅拌的电镀液，在电镀层外进一步加厚镀层，电镀的电流密度为1.6～2.0A/dm2，加厚镀层厚度为金刚石磨料平均粒度的65%；

f、去应力处理 ：对加厚电镀后的齿尖和电镀层进行150～250℃低温处理 1 ～ 2h即可去除应力。

所述电镀液中硫酸钴的质量浓度为22～25g/L、硫酸镍的质量浓度为180～198g/L、氯化钠的质量浓度为16～20g/L。

采用合金齿4作为电镀阴极，金属板作为电镀阳极，所述金属板为金属镍板。

电镀阳极材料镀前处理 ：用质量分数为20%的硫酸溶液浸泡金属镍板以除去表面氧化组织。

步骤（2）中防冲击垫片3具体制作步骤为：防冲击垫片3的各原料在1200℃～1350℃的温度条件下进行熔炼；然后通过半连续或连续铸造成圆铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃；所述圆铸锭经过挤压、锻造或者机加工成成品；挤压温度为700℃～850℃，锻造温度为700℃～850℃。

步骤（4）中将合金齿4镶嵌到圆柱槽内采用过盈配合的镶嵌方式，过盈量控制在0.05mm。

步骤（1）中凿岩工具基体粗坯经高温真空淬火加二次高温回火的规范为：淬火温度1040℃-1070℃，淬火油温度30℃-50℃，回火温度580℃-600℃、540℃-560℃各一次。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。