一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，属于焊接技术领域，包括以下步骤：(1)向基体粉末材料中添加粘结剂，充分混料均匀后进行预压以提升其密实度；(2)去除超硬材料表面的杂质，将除杂后的超硬材料用侧向支撑环包裹并放置于基体上，再将硬保护片放置于超硬材料与侧向支撑环上，将形成的组件用高熔点金属进行包裹，在组件上方和侧面放置软保护片，整体组装好后进行高温高压焊接；(3)泄温泄压后将焊接得到的刀具坯体取出，去除侧向支撑环、硬保护片和软保护片，进一步加工处理得到成品。本发明专利技术解决了在基体与超硬材料焊接中存在的焊接强度低、易造成金刚石石墨化、焊料焊接引入焊料层影响刀具热稳定性等问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法


[0001]本专利技术涉及焊接
，具体涉及一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法。

技术介绍

[0002]超硬材料是某些硬度超过40GPa的材料的一类统称，目前在行业上普遍认为可以称为超硬材料的只有金刚石和立方氮化硼(cBN)这两种。
[0003]在工业中大多使用经过高温高压烧结的聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)来消除金刚石单晶的各向异性。聚晶金刚石最具代表性的应用是聚晶金刚石钻齿(Polycrystalline Diamond Cutter,PCDC)，广泛应用于油气钻探领域，所以PCDC的性能很大程度上决定了钻井的深度和效率。而对cBN来说，其使用的主要形式是聚晶cBN(PcBN)，在工业中，PcBN主要的作用是替代PCD来切削铁族材料。
[0004]在实际使用过程中通常会用金刚石/cBN与高硬度、高韧性和高热导率的基体进行结合来制备刀具，这样可以减小使用成本，但现有技术中，对于两者的结合方法还存在以下问题：
[0005]1.金刚石、cBN与基体结合通常可以采用胶水粘接、激光焊接、微波焊接、高频焊接以及真空焊接等方式进行。其中，胶水粘接的刀具其基体部分与超硬材料部分结合强度低，切削、钻探效果很差。激光焊接、高频焊接以及真空焊接这几种焊接方式可以提升基体与超硬材料的结合强度，但缺点是热响应程度大，容易使金刚石氧化和石墨化，从而降低金刚石的物理、化学性能；同时，引入的高温环境在焊接掺有粘结剂的金刚石时会让金刚石内部的粘结剂成为金刚石颗粒向石墨转化的催化剂，会加快金刚石到石墨的转变，进而出现性能上的不稳定；同时高温下有粘结剂的PCD和PcBN中的粘结剂与金刚石和cBN的热膨胀系数不同，这会导致粘结剂膨胀挤压金刚石和cBN，从而在金刚石和cBN内部产生裂纹。而利用焊料(铁、钴、镍、银、铝、硅等)焊接超硬材料与基体虽然可以提升两者的结合强度，但焊料层的存在会在使用中影响热量的传递并且在高温下焊料会有氧化或熔融的情况，所以焊料层会影响刀具的性能。
[0006]2.目前市面上主流的超硬材料与基体焊接主要可以分为如下几种方式：(1)金刚石/cBN粉末与含粘结剂的基体(已烧结好的)进行焊接；(2)烧结好的高性能PCD/PcBN，利用胶水粘接、激光焊接、微波焊接、高频焊接以及真空焊接等方式进行。采用方式(1)制作的刀具在焊接后无法保证粘结剂在PCD/PcBN内部的均匀分布，从而导致PCD/PcBN端的性能拥有较为明显的差异；同时金刚石/cBN粉末与基体焊接是利用基体中的粘结剂来使金刚石微粉或cBN微粉结合，所以焊接出来的超硬材料部分是含有粘结剂的，此时超硬材料端的硬度和热稳定性是远低于无粘结剂的PCD/PcBN。而对(2)方式焊接刀具来说，列举的几种结合方式都需要保证PCD/PcBN与结合的基体端保持相互平行(保证焊料均匀平铺)，同时还需保证PCD/PcBN端与基体端之间无缺陷，如缺口、气孔、裂纹等，否则PCD/PcBN上的缺陷会在压力下崩裂，工艺要求较高。
[0007]3.利用块体基体材料与超硬材料进行焊接时，为了保证焊接的准静水压，所有的高压组装中样品部分都是圆形，只能烧结出圆柱形的刀具。而在现实应用中还需要有不同形状的的刀具(如椭圆、方形、锥台等)，但如果在高压组装中应用块体基体进行烧结，不规则的基体部分在高压组装中受到的压力不同会导致基体部分出现破损导致刀具焊接失败，所以不规则形状的刀具无法直接在高压组装中烧结。

技术实现思路

[0008]本专利技术是为了解决现有技术中金刚石、cBN与基体结合强度低，容易使金刚石氧化和石墨化，焊料层影响刀具热稳定性以及对带缺损超硬材料样品利用方式的技术问题；目的在于提供一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，克服了现有焊接技术中存在的焊接强度低、易造成金刚石石墨化，焊料焊接会引入焊料层影响刀具热稳定性并且提升对缺损超硬材料的利用方式等问题。
[0009]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0010]一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，包括以下步骤：
[0011](1)向基体粉末材料中添加粘结剂，充分混料均匀后进行预压以提升其密实度，预压后的基体密实度应保持在60％以上；
[0012](2)通过超声清洗去除超硬材料表面的杂质，超声完成后用酒精在超声中浸泡清洗超硬材料，浸泡完成后烘干，然后将除杂后的超硬材料用侧向支撑环包裹并放置于基体上，再将硬保护片放置于超硬材料与侧向支撑环上，将形成的组件用高熔点金属进行包裹，使其不与外部材料相接触，接着在组件上方和侧面放置软保护片，整体组装好后进行高温高压焊接；
[0013]由于基体粉末预压后的密实度普遍处于50％
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90％之间，这意味着烧结后基体部分相比于预压前会减少10％
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50％的体积，而超硬材料经过提前烧结，所以它的密实度在98％以上，在此情况下基体粉末在高温高压下烧结塌缩会使腔体内产生巨大应力梯度，造成超硬材料碎裂或在其内部产生很多微裂纹。为了避免这一现象，在步骤(2)中，基体直径应大于超硬材料层的直径(在实验中需要将粉末预压基体的直径保持为超硬材料直径的1
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2倍之间以保证经过高温高压烧结塌缩后基体部分有相应的加工尺寸)，直径差利用材料填充，即在超硬材料的外周设置侧向支撑环以提供侧向支撑，由于在高压下基体部分的塌缩也会对未与基体接触的金刚石/cBN表面产生应力冲击，所以该端面也需要进行保护，因此设置硬保护片对金刚石/cBN和侧向支撑环形成硬保护，同时需要保证金刚石/cBN的厚度是硬保护片的1
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10倍，同时，在硬保护片上还需设置一层软保护片来提升金刚石/cBN在高温高压下的准静水压环境，减少金刚石/cBN部分的应力堆积，并且软保护片的设置方面也需要保证金刚石/cBN的厚度是其厚度的1
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10倍。
[0014](3)泄温泄压后将焊接得到的刀具坯体取出，去除侧向支撑环、硬保护片和软保护片，进一步加工处理得到成品。
[0015]本专利技术采用超硬材料与基体粉末在高温高压下直接焊接的方式来制备刀具，采用粉末与超硬材料焊接的好处是可以在高温高压下同步进行基体烧结和金刚石焊接的过程，这一过程中粉末可以更充分与超硬材料接触，从而提升基体与金刚石的结合强度，同时还可以省略基体的烧结过程，减少工艺步骤，降低刀具制造成本。
[0016]并且，本专利技术的焊接在高压下进行，高压可提高超硬材料如金刚石的热稳定性，如，在5GPa高压下金刚石的石墨化温度约为1400℃，相比于常压，提高了约500℃；因此，在高压下进行金刚石与基体的焊接既可实现金刚石聚晶层与硬质合金基体的高质量、高强度结合，又可避免对金刚石聚晶的损害,避免热响应程度大使金刚石氧化和石墨化，从而降低金刚石的物理、化学性能。
[0017]此外，本专利技术的焊接方法无需添加焊料，直接利用基体粉末中的粘结剂与超硬材料结合，从而可以消除焊料层对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)向基体粉末材料中添加粘结剂，充分混料均匀后进行预压以提升其密实度，预压后的基体密实度应保持在60％以上；(2)去除超硬材料表面的杂质，将除杂后的超硬材料用侧向支撑环包裹并放置于基体上，再将硬保护片放置于超硬材料与侧向支撑环上，将形成的组件用高熔点金属进行包裹，使其不与外部材料相接触，接着在组件上方和侧面放置软保护片，整体组装好后进行高温高压焊接；(3)泄温泄压后将焊接得到的刀具坯体取出，去除侧向支撑环、硬保护片和软保护片，进一步加工处理得到成品。2.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，所述超硬材料为金刚石或cBN，其中，所述金刚石包括不含有粘结剂的聚晶金刚石、含有粘结剂的聚晶金刚石、不含有粘结剂的CVD聚晶金刚石，所述cBN包括不含粘结剂的聚晶cBN或含粘结剂的聚晶cBN。3.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，所述基体粉末材料包括碳化钨、cBN、碳化硅、氮化硅和碳化硼中的一种或多种，所述粘结剂包括铁、钴、镍、铝、铜、银和硅中的一种或多种，所述粘结剂含量为基体粉末材料质量的1
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20％。4.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，预压压强在10～120...

【专利技术属性】
技术研发人员：王义鹏，
申请(专利权)人：成都东为科技有限公司，
类型：发明
国别省市：