專利名稱：用于提高鉆頭的硬質(zhì)合金刀刃的邊緣層的斷裂韌性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于提高鉆頭的硬質(zhì)合金刀刃的邊緣層的斷裂韌 性的方法，該鉆頭用于加工硬的材料，優(yōu)選巖石或混凝土，以及涉及 一種與此有關(guān)的鉆頭。
背景技術(shù)：
用于加工很硬的材料例如硬質(zhì)鋼、冷硬鑄鐵、纖維增強(qiáng)的復(fù)合材 料、巖石、混凝土等的鉆頭通常包括一個(gè)鋼制桿部，它通過接合優(yōu)選 借助釬焊或熔焊設(shè)有由硬質(zhì)合金制成的一個(gè)刀刃或一個(gè)完整的鉆削鉆 冠。這樣的刀刃或鉆冠由于其硬質(zhì)合金的高硬度和高耐磨性適合于打 碎硬的材料并且也適合于部分地切削加工硬的材料，以便由此總體上 實(shí)現(xiàn)材料去除。鉆頭的有效功率主要由硬質(zhì)合金的材料特性確定。用 于提高硬質(zhì)合金刀刃的有效功率的方法至今限于刀刃的幾何構(gòu)形、硬 質(zhì)合金在材料成分和晶粒大小意義上的組織結(jié)構(gòu)等，以及保持有利的 鉆削參數(shù)。
硬質(zhì)合金刀刃在一種復(fù)雜負(fù)荷的鉆削過程中由于為優(yōu)化材料的部
分自相矛盾的要求而面臨如下問題這樣刀刃的由于強(qiáng)穿沖擊式的負(fù) 荷例如在沖擊式鉆孔過程中產(chǎn)生的負(fù)荷要求一種足夠的材料韌性，以 便避免在刀刃中的脆裂。相反，在加工硬的材料時(shí)能經(jīng)受住強(qiáng)磨料負(fù) 荷的能力要求一種高的硬質(zhì)合金硬度。對于同時(shí)通過材料開發(fā)的傳統(tǒng) 的方法進(jìn)一步優(yōu)化兩種材料特性的努力來說，明顯是有限度的。在此 將不再期望大的進(jìn)展，因?yàn)椴牧媳徽J(rèn)為在相當(dāng)大程度上開發(fā)完畢。
由199 05 735Al得知一種用于制造一種切削刀具的方法，其中涉 及用一種硬材料層涂覆鉆削刀具的尖端。其目的是，改善在鉆削刀具 與硬材料層之間的粘附。為此建議，鉆削刀具和特別是鉆削尖端在涂 層過程之前經(jīng)過微噴射。為此具有在5nm與50ium之間顆粒大小的由
4氧化鋁制成的尖棱的顆粒用作為噴射介質(zhì)。通過微噴射提高表面粗糙 度，它又有助于改善隨后待涂覆到粗糙表面上的硬材料層的粘附，優(yōu)
選在PVD法過程中制造硬材料層。這些措施是已知的。因此在該公開 文獻(xiàn)中描述的刀具涉及一種切削刀具，它在一個(gè)待加工的工件表面上 的滑動(dòng)過程中導(dǎo)致想要的材料去除量。原則上這樣的刀具遭受比在鉆 削刀具中小得多的和不同的機(jī)械負(fù)荷。
DE 196 52 872 C2描述了 一種用于提高在由脆硬材料制成的表面 上的邊緣層強(qiáng)度的方法，例如特別是由陶瓷材料制成的工件。
由DE 101 23 544 Al得知一種用于制造切削用切削刀具的加工方 法。其中涉及的刀具受到比鉆削刀具小得多的和不同的機(jī)械負(fù)荷容量 繼而受到較小的磨損。此外例如由硬質(zhì)合金制成的、已知的切削刀具 還設(shè)置 一個(gè)附加的硬材料層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此在于，提供一些措施，借其可以設(shè)計(jì)用于沖擊 式鉆削加工硬的材料的鉆頭，優(yōu)選具有一個(gè)硬質(zhì)合金刀刃的復(fù)合鉆頭， 該硬質(zhì)合金刀刃在保持至少相同的硬度情況下具有顯著提高的韌性。
基于本發(fā)明目的的解決方案說明于權(quán)利要求1中。權(quán)利要求12 的技術(shù)主題是一種按解決方案的鉆頭。由發(fā)明構(gòu)思得知有利的進(jìn)一步 構(gòu)成的特征是諸從屬權(quán)利要求和進(jìn)一步描述的技術(shù)主題。
按解決方案， 一種具有內(nèi)壓應(yīng)力負(fù)荷的由硬質(zhì)合金制成的功能面 的復(fù)合鉆頭通過以下各方法步驟的組合進(jìn)行制造
準(zhǔn)備一個(gè)具有做好外形的硬質(zhì)合金刀刃的鉆頭，以及借助一種機(jī) 械的表面的能量輸入對做好外形的硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域 這樣進(jìn)行處理，即采用大量分別具有一個(gè)從0.15mm至6mm優(yōu)選從 0.3mm至4mm的工具直徑的無尖棱的工具，它們以一種定量調(diào)節(jié)的 固有動(dòng)量對準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域同時(shí)在局部區(qū)域的邊 緣層上做變形功，在此只將局部塑性變形引入到邊緣層中同時(shí)避免在 硬質(zhì)合金刀刃的處理過的局部區(qū)域的邊緣層內(nèi)形成裂紋。
有利的方式是，首先以本身已知的方式通過接合將一個(gè)鋼制桿部與由硬質(zhì)合金制成的 一 個(gè)做好外形的刀刃或一個(gè)鉆冠相連接。所謂做好外形的在這方面意味著，沒有另外的使刀刃鋒利的處理步驟或給刀刃配備附加層的涂層步驟。緊接著通過對準(zhǔn)功能面的機(jī)械的能量輸入與匹配于功能面關(guān)于材料和幾何形狀的特性的處理參數(shù)一起，這樣實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀刃或硬質(zhì)合金鉆冠的按解決方案的表面處理，使得只將局部塑性變形在邊緣層中引入。
這樣的處理提高斷裂韌性并且在稍小的程度上也提高在硬質(zhì)合金的邊緣層中的硬度。為了實(shí)施為方法的成功所需要的處理參數(shù)的調(diào)節(jié)，
涉及優(yōu)選應(yīng)實(shí)施三個(gè)預(yù)試-瞼
例如在一塊由用于功能面的材料制成的板上測定材料的抗壓流動(dòng)極限和脆裂極限與那些工具的工具幾何形狀的函數(shù)關(guān)系，其中利用這些工具使功能面局部變形，由此確定所需要的工具幾何形狀、所需要的和最大允許的作用到工具上的力以及與功能面進(jìn)入接觸的工具區(qū)域的硬度。
在第二步驟中，在多次球壓硬度試驗(yàn)的范圍內(nèi)測定，每一接觸表面允許多少數(shù)量的重復(fù)的球壓印，而在這種情況下不損傷功能面的邊緣層的完整性，但同時(shí)使邊緣層塑性變形。按這種方式確定允許的重疊度，亦即每一接觸表面的工具壓印的數(shù)量。
在第三步驟中，通過處理測定一個(gè)具有棱角狀的幾何部分的試件，借助該試件進(jìn)一 步限制在預(yù)試驗(yàn)過程中測定的處理參數(shù)，以便避免功能面幾何形狀的關(guān)乎使用的變化。
作為工具材料，優(yōu)選選擇一種與用于鉆頭的功能面的材料本身相比具有類似的或更高的硬度的材料。作為工具形狀，對于在工具與功能面之間的接觸區(qū)域選擇一種盡可能光滑的、倒圓的形狀。不必要將工具幾何形狀限于球形，圓形的例如橢圓形的等形狀的無尖棱的鋼丸也是適合的。在確定上述的處理參數(shù)之后，例如在一種噴丸方法的范圍內(nèi)對由硬質(zhì)合金制成的待處理的功能面進(jìn)行處理。可以在一種經(jīng)壓縮空氣的噴丸裝置的范圍內(nèi)或借助一個(gè)離心輪驅(qū)動(dòng)裝置以可調(diào)的動(dòng)量將要撞到功能面上的球形的工具元件拋到功能面上， 而待處理的功能面的每一點(diǎn)都受到一次或多次的撞擊。
機(jī)械的方法特別基于，用一種適合的工具使功能面局部塑性變形并且在邊緣層中產(chǎn)生內(nèi)壓應(yīng)力。在實(shí)施機(jī)械的表面處理中重要的是，在產(chǎn)生塑性的表面變形時(shí)，在功能面面積中不同時(shí)產(chǎn)生脆裂過程或材料疲勞形式的損傷，其降低強(qiáng)度的作用大于通過借助"增塑"產(chǎn)生的內(nèi)壓應(yīng)力而提高強(qiáng)度的作用，并且沒有在不允許的程度上改變功能面的幾何形狀。
上述要求這樣達(dá)到，即一方面將塑性變形限于側(cè)向狹窄限界的功能面區(qū)域上，而另一方面使接觸待處理的工件的功能面的工具在接觸面的區(qū)域內(nèi)具有一個(gè)確定的外形，它總體上描述被視為無尖棱的。
如果對于在工具與層表面之間的接觸面以及對于工具到邊緣層中
的壓印深度不超過一個(gè)材料特定的和取決于工具形狀的極限值，則可以通過一個(gè)重復(fù)的、側(cè)向偏移的局部表面處理表面覆蓋地達(dá)到一種針對引入的塑性變形的所期望的效果。
上述要求特別這樣實(shí)現(xiàn)，即工具具有一個(gè)適合的幾何形狀，它優(yōu)選為圓形的外形并且不超過一個(gè)取決于待加工的功能面面積的材料的臨界的工具直徑。對于球的情況，如在噴丸試驗(yàn)中使用那樣，和對于
硬質(zhì)合金作為層材料的應(yīng)用情況，已證實(shí)適合的球直徑最大為6mm。上述臨界的規(guī)定用于確定球的尺寸的直徑也確定狹窄限界的表面區(qū)域，在其內(nèi)要實(shí)現(xiàn)在功能面上的塑性變形。
除確定工具的幾何尺寸外，借其加工功能面，并且在這方面不同于噴丸也提及到錘、釘和輥，特別在噴丸方法中作用到功能面上的動(dòng)量起著一個(gè)很大的作用。對工具的幾何形狀和借其將工具撞向待加工的表面的動(dòng)量調(diào)節(jié)在此這樣進(jìn)行調(diào)節(jié)，即在優(yōu)選沒發(fā)生脆裂或材料疲勞之前實(shí)現(xiàn)所要求的塑性變形，亦即這樣確定動(dòng)量輸入的水平和每一點(diǎn)的碰撞數(shù)量，以致將可能出現(xiàn)的損傷的程度限制到使塑性變形和內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生對強(qiáng)度和韌性的有利的影響在功能面的區(qū)域內(nèi)占優(yōu)勢。通過按解決方案的以內(nèi)壓應(yīng)力對功能面的加載，在例如一個(gè)上述的噴丸方法過程中顯著地改善了用于功能面的硬質(zhì)合金材料的材料的有限的強(qiáng)度特性和韌性特性。


下面借助各實(shí)施例參照附圖示例性地描述本發(fā)明，而不對總體發(fā)
明構(gòu)思構(gòu)成限制。其中
圖1:利用按解決方案的處理在一個(gè)功能邊緣層內(nèi)依賴于深度的
內(nèi)應(yīng)力分布的曲線圖實(shí)例；圖2:在噴丸處理之前和之后在功能面中的硬化壓?。粓D3:在噴射處理之前和之后兩種功能面材料的抗彎強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式
在由關(guān)乎功能面的材料制成的扁平試件上實(shí)施噴丸處理。
借助于逐步電解的電蝕量和X射線照相的測量測定通過處理在邊緣層內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在圖la中示出了有利的、特別高達(dá)2000MPa的內(nèi)壓應(yīng)力，它們在大致140pm深度下降到未處理的母體材料的接近無內(nèi)應(yīng)力的狀態(tài)。
在圖2和圖3中示出了所述處理在本發(fā)明的目標(biāo)設(shè)定方面的有利的作用、功能面的機(jī)械特征的改善。
功能面的斷裂韌性的提高達(dá)到至少2倍。在處理過的功能面中可以通過硬化壓印不再產(chǎn)生對韌性測定有用的裂紋，見圖2左邊的視圖。
處理過的(噴射過的)和未處理的(未噴射的)試件小桿的抗彎強(qiáng)度的測定得出抗彎強(qiáng)度(BBF)從2100MPa提高到2600MPa。這相當(dāng)于提高達(dá)27% (圖3)。
此外通過金相檢驗(yàn)可以證明，按解決方案處理過的邊緣層沒有因處理引起的損傷。
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權(quán)利要求
1.用于提高鉆頭的硬質(zhì)合金刀刃的邊緣層的斷裂韌性的方法，該鉆頭用于沖擊式鉆削加工硬的材料，優(yōu)選巖石或混凝土，其特征在于以下各方法步驟的組合準(zhǔn)備一個(gè)具有做好外形的硬質(zhì)合金刀刃的鉆頭，借助一種機(jī)械的表面的能量輸入對做好外形的硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域這樣進(jìn)行處理，即采用大量分別具有一個(gè)達(dá)6mm的工具直徑的無尖棱的工具，它們以一種定量調(diào)節(jié)的固有動(dòng)量對準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域同時(shí)在局部區(qū)域的邊緣層上做變形功，在此只將局部塑性變形引入到邊緣層中同時(shí)避免在硬質(zhì)合金刀刃的處理過的局部區(qū)域的邊緣層內(nèi)形成裂紋。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，無尖棱的工具制成 圓形的形狀且由一種與硬質(zhì)合金刀刃的材料相比具有類似的或更高的 硬度的材料制成。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，將大量無尖棱 的工具借助噴丸方法對準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀刃的所述至少一個(gè)局部區(qū)域。
4. 按照權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，將球用作 為無尖棱的工具。
5. 按照權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，將錘、釘或輥 用作為無尖棱的工具。
6. 按照權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，為了機(jī)械 的表面的能量輸入，根據(jù)待處理的硬質(zhì)合金刀刃的形狀和材料確定以 下的處理參數(shù)無尖棱的工具的材料和形狀以及對準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀刃的 至少一個(gè)局部區(qū)域的工具的固有動(dòng)量。
7. 按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，為了確定決定性的 處理參數(shù)，實(shí)施以下各方法步驟在一個(gè)由待處理的硬質(zhì)合金制成的工件上測定抗壓流動(dòng)極限和脆裂極限與工具的形狀、材料和固有動(dòng)量的函數(shù)關(guān)系，工具以固有動(dòng)量 撞到工件上，并且借助一種球壓硬度試驗(yàn)測定在由待處理的硬質(zhì)合金 制成的工件上每一接觸表面允許的球壓印的數(shù)量，通過該數(shù)量確定在 局部塑性的表面變形上允許的重疊度。
8. 按照權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在至少一個(gè)具有匹的處理參數(shù)，以避免在試件的邊緣層內(nèi)形成裂紋。
9. 按照權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，將一個(gè)復(fù) 合鉆頭用作為鉆頭，該復(fù)合鉆頭具有一個(gè)桿部，在表面處理硬質(zhì)合金 刀刃之前，將硬質(zhì)合金刀刃接合到該桿部上。
10. 按照權(quán)利要求1至9之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，硬質(zhì) 合金刀刃構(gòu)成為硬質(zhì)合金鉆冠。
11. 按照權(quán)利要求1至IO之一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，采用 分別具有一個(gè)從0.15mm至6mm優(yōu)選從0.3 mm至4mm的工具直徑的 無尖棱的工具。
12. 利用按照權(quán)利要求1至11之一所述方法制造的具有硬質(zhì)合金 刀刃的鉆頭，用以加工硬的材料，優(yōu)選巖石或混凝土，其特征在于， 硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域具有局部表面的變形，這些變形在 硬質(zhì)合金刀刃的 一個(gè)表面的邊緣層中引起一種內(nèi)壓應(yīng)力負(fù)荷。
13. 按照權(quán)利要求12所述的鉆頭，其特征在于，硬質(zhì)合金刀刃具 有一些包含變形的功能面。
14. 按照權(quán)利要求12或13所述的鉆頭，其特征在于，設(shè)置一個(gè) 鉆頭桿部，借助熔焊或釬焊技術(shù)將硬質(zhì)合金刀刃接合在該鉆頭桿部上。
15. 按照權(quán)利要求12至14之一所述的鉆頭，其特征在于，硬質(zhì) 合金刀刃構(gòu)成為硬質(zhì)合金鉆冠。
16. 按照權(quán)利要求12至15之一所述的鉆頭，其特征在于，鉆頭 構(gòu)成為鉆削刀具，用于一臺(tái)手工操縱的或機(jī)械操縱的沖擊式鉆機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于提高鉆頭的硬質(zhì)合金刀刃的邊緣層的斷裂韌性的方法，該鉆頭用于沖擊式鉆削加工硬的材料，優(yōu)選巖石或混凝土。本發(fā)明的特征在于以下各方法步驟的組合準(zhǔn)備一個(gè)具有做好外形的硬質(zhì)合金刀刃的鉆頭，借助一種機(jī)械的表面的能量輸入對做好外形的硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域進(jìn)行這樣處理，即采用大量分別具有一個(gè)達(dá)6mm的工具直徑的無尖棱的工具，例如鋼球、錘、釘、輥，它們以一種定量調(diào)節(jié)的固有動(dòng)量對準(zhǔn)硬質(zhì)合金刀刃的至少一個(gè)局部區(qū)域同時(shí)在局部區(qū)域的邊緣層上做變形功，在此只將局部塑性變形和內(nèi)壓應(yīng)力引入到邊緣層中同時(shí)避免在硬質(zhì)合金刀刃的處理過局部區(qū)域的邊緣層內(nèi)形成裂紋?？梢酝ㄟ^具有最大6mm的球直徑的噴丸實(shí)施該方法。
文檔編號C21D7/06GK101657551SQ200780036058
公開日2010年2月24日 申請日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者A·格拉塞爾, T·克拉默, W·普法伊費(fèi)爾 申請人:喜利得股份公司