CN102303192A - 提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法 - Google Patents

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贺端威
张文凯
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本发明公开了一种提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，属于多晶金刚石复合片工具技术领域。本发明提出的在多晶金刚石复合片的基体一端增加联接一扩延基体，具体联接方式可以是焊接联接，也可以是机械联接，优先选用焊接联接，焊接方法主要是在基体或/和扩延基体焊接面上涂敷钎剂，将焊片置于其焊接面上；然后对接焊接，且在焊接的同时对多晶金刚石层进行冷却。焊接方式包括高频感应焊接、激光焊接、真空焊接、热等静压焊接、微波加热焊接、摩擦焊接、氩弧焊接等。本发明的应用，能够有效提高多晶金刚石复合片作为钻齿或刀齿的适用性和生产效率，能极大地降低了多晶金刚石复合片的生产成本。

Description

提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法
技术领域
本发明涉及多晶金刚石复合片工具技术领域，特别涉及一种提高多晶金刚石复合片钻齿或刀齿适用性的一种方法。
背景技术
多晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，PDC)是一种在硬质合金基体上复合多晶金刚石层形成的复合构件，由于其多晶金刚石层具有超高硬度和高耐磨性，基体具有很好的韧性，能为多晶金刚石层提供安装支撑，被广泛地用作地质钻探钻头的钻齿，以及隧道掘进盾构机刀头的刀齿，为人们探寻开采地下石油、金属矿藏、煤矿等，以及隧道掘进提供了一种非常得力的工具，大大提高了钻探和掘进效率。
多晶金刚石复合片的生产，目前国内外均使用高温高压方法进行合成，在合成压机密封腔体内同时加热加压，在硬质合金基体上烧结复合一层多晶金刚石层。合成的设备，国外主要使用两面顶压机，而国内主要采用六面顶压机。多晶金刚石复合片的生产合成，其合成过程需要在压力大于5GPa，温度大于1300℃的极端条件下进行，为了保证合成出的多晶金刚石复合片有尽可能大的体积，现有技术的多晶金刚石复合片的生产合成，合成设备压机的一个密封腔体一次只能合成数量有限的多晶金刚石复合片，这不但会导致生产效率低，多晶金刚石复合片生产成本高，价格昂贵，而且由于压机合成腔体较小，形状固定，合成出的多晶金刚石复合片的长度有限，形状也是固定的。但在生产实践中，由于地质状况、钻探工艺的不同，要求钻头的钻齿或刀头的刀齿具有不同的尺寸和不同的形状，而现有技术生产的作为钻齿或刀齿的多晶金刚石复合片难以满足生产实际提出的这一要求，使得现有技术生产的多晶金刚石复合片的适用性大大受限，因此生产实践迫切需要所属领域的科技人员尽快开发出能够有效解决这一问题的技术方法。
发明内容
针对现有技术的多晶金刚石复合片钻齿/刀齿存在的不足，本发明的目的旨在公开一种提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，以满足生产实践对多晶金刚石复合片钻齿/刀齿提出的不同尺寸和形状要求。
本发明的上述目的，是通过在用作钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片的基体一端增加联接一扩延基体来实现的。
本发明提出的在多晶金刚石复合片的基体一端增加联接一扩延基体，具体联接方式可以焊接联接，也可以是机械联接，如将多晶金刚石复合片的基体与扩延基体设计成嵌插结构，通过螺纹套锁紧。优先选用焊接联接。具体的焊接方式可以是高频感应焊、激光焊、真空焊接、热等静压焊接、微波加热焊接、摩擦焊接或氩弧焊等任一种焊接方式。
多晶金刚石复合片的基体与扩延基体如采用焊接方式联接，优先采取的焊接方法主要包括以下步骤：
(1)基体焊接面和/或扩延基体焊接面上涂敷钎剂，将焊片置于基体焊接面和扩延基体焊接面之间，使基体焊接面、焊片和扩延基体焊接面之间相互对接；
(2)对基体与扩延基体的焊接面进行加热，同时对多晶金刚石复合片的多晶金刚石层进行冷却和气氛保护，加热至作为焊料的焊片熔化或接近熔化后，对基体与扩延基体的焊接面加压，使基体与扩延基体焊接为一体；
(3)焊接结束后缓慢冷却至常温，即获得适用性得到提高的多晶金刚石复合片钻齿/刀齿。
在上述焊接方法中，在焊接面涂敷钎剂之前最好先对基体焊接面和扩延基体焊接面进行洁面处理，去除焊接面上的碳化物等杂质，以获得光洁平整表面。其中钎剂可只涂敷在两个焊接面中的一个焊接面上，也可在两个焊接面上都涂敷。焊接面的洁面处理可采用砂轮打磨，也可采用喷砂机喷砂等其它物理与化学方法进行洁面处理。
在上述焊接方法中，多晶金刚石层的冷却，可以采用水冷、油冷、酒精冷、液氮冷或气冷等冷却方式中的任一种方式进行，但须保证多晶金刚石层的温度不要高于800℃。对基体与扩延基体的焊接面加压，最好是从轴向对焊接面施压，压力最好控制在0.1MPa～1000MPa范围。作为焊接材料的焊片，其材质可以是铜基焊料或银基焊料，其中铜基焊料可选用HL105(BCu58ZnMn)、S221(BCu60ZnSn-R)等，银基焊料可选用HL302(BAg25CuZn)、HL308(BAg70CuZn)等。
在上述焊接方法中，扩延基体与基体焊接完成后最好是将焊接件放入草木灰或石棉灰中缓冷至室温，或放入200℃-350℃马弗炉中保温6-8小时，然后随炉冷却至室温。
本发明用于与多晶金刚石复合片基体相联接的扩延基体，其材质可以是硬质合金、铸铁、淬硬钢、钛合金或铜合金等足够强度的金属，扩延基体的形状可以是圆柱体、圆锥体、半球体、锥台体或折弯体等实际应用所需要的形状。
本发明的发明人通过长期观察发现，现有技术的多晶金刚石复合片用作地探钻头钻齿或隧道掘进盾构机刀头刀齿，由于多晶金刚石复合片本身尺寸与形状的局限，限制了多晶金刚石复合片作为钻齿或刀齿使用范围，基于此，发明人创造性地提出了在多晶金刚石复合片基体一端增加联接一扩延基体，从而有效地解决了这一问题。这是本发明对现有技术的最大的贡献之处。本发明提出的这一方法，不但能解决现有技术的多晶金刚石复合片存在的这一不足，大大扩大其适用范围，满足生产实践对多晶金刚石复合片提出的不同尺寸和形状的的要求，还能产生其他多方面很好的技术效益。
本发明提出的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，概括起来能够产生以下十分突出的技术效果和优点：
(1)本发明通过在多晶金刚石复合片基体一端增加联接一扩延基体，提高了多晶金刚石复合片作为钻齿或刀齿的适用性，可以满足各种地质钻探钻头和盾构机刀头的要求。
(2)本发明方法实施，在多晶金刚石复合片的生产过程中，可以使用体积较小的硬质合金基体合成多晶金刚石复合片，使得多晶金刚石复合片的生产，在特定的压机腔体内，一次可同时合成多个多晶金刚石复合片，且不影响多晶金刚石复合片的使用性能(多晶金刚石复合片功能部分是多晶金刚石冠头部分)，并且能够进行标准化生产，极大地提高了多晶金刚石复合片的生产效率。
(3)本发明提出的多晶金刚石复合片基体与扩延基体焊接联接的方法，在基体与扩延基体加热焊接的同时，特别采取了对多晶金刚石复合片的多晶金刚石层冠状部分进行冷却及气氛保护，有效防止了多晶金刚石高温下石墨化和氧化，保证了产品的使用性能及寿命(金刚石在800℃左右的空气中会发生石墨化及氧化，从而会降低多晶金刚石复合片的性能，进而会降低使用寿命)。
(4)采用焊接方法将基体与扩延基体联接在一起，所使用的设备仪器轻便，焊接材料成本不高，又由于一次可同时合成多个多晶金刚石复合片，且可进行标准化生产，因此本发明的应用会极大地降低多晶金刚石复合片的生产成本。
附图说明
图1为现有技术作为钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片结构示意图，其中冠部为多晶金刚石层，底部为硬质合金基体。
图2为本发明联接有圆柱体扩延基体的作为钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片的结构示意图。
图3为本发明联接有半球体扩延基体的作为钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片的结构示意图。
图4为本发明联接有圆锥体扩延基体的作为钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片的结构示意图。
图5为本发明联接有折弯体扩延基体的作为钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片的结构示意图。
图6为本发明联接有锥台体扩延基体的作为钻头钻齿或刀头刀齿的多晶金刚石复合片的结构示意图。
图7为使用HL302银基焊料焊接的多晶金刚石复合片硬质合金基体和硬质合金扩延基体的实际焊缝金像图，放大倍数为400倍。
附图中各标号表示对象为：1-多晶金刚石层，2-硬质合金基体，3-扩延基体。
具体实施方式
下面结合附图，用具体事例对本发明进行进一步详细阐述，但并不认为对发明内容进行任何限制。
实施例1
先对多晶金刚石复合片基体焊接面及圆柱体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整洁面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取HL105(BCu58ZnMn)硬质合金焊接专用焊片放置在扩延基体表面；然后把多晶金刚石复合片基体和扩延基体上的焊片对接，放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装置于高频感应焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，加热约20秒，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为20MPa；焊后把工件放入200℃-350℃马弗炉中保温6-8小时，然后随炉冷却，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图2所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例2
先对多晶金刚复合片基体焊接面及半球体淬硬钢扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取HL105(BCu58ZnMn)硬质合金专用焊片，放置在扩延基体焊接面上；然后使多晶金刚石复合片基体焊接面和扩延基体上的焊片对接，放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装置于高频感应焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，加热约15秒，待焊片熔化后对工件从两端加压，加压压力大小为300MPa；焊后把工件放入草木灰中缓冷，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图3所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例3
先对多晶金刚石复合片基体焊接面及半球体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取HL105(BCu58ZnMn)硬质合金焊接专用焊片，放置在扩延基体焊接面上；然后使多晶金刚石复合片基体焊接面和扩延基体上的焊片对接，放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装置于高频感应焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，加热约10秒，待焊片熔化后，对工件从两端加压，压力大小为40MPa；焊后把工件放入200℃-350℃马弗炉中保温6-8小时，然后随炉冷却，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图3所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例4
先对多晶金刚石复合片基体焊接面及锥台体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上硼砂钎剂，剪取HL302(BAg25CuZn)焊片放置在扩延基体表面；然后使多晶金刚石复合片基体焊接面和扩延基体上的焊片对接，放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装置于高频感应焊接设备上；焊接温度选择840℃-860℃，加热约30秒，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为800MPa；焊后把工件放入200℃-350℃马弗炉中保温6-8小时，然后随炉冷却，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图6所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例5
先对多晶金刚石复合片基体焊接面及锥台体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体焊接面涂上硼砂钎剂，剪取HL302(BAg25CuZn)焊片放置在扩延基体焊接面上；然后使多晶金刚石复合片基体焊接面和扩延基体上的焊片对接，放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在高频感应焊接设备上；焊接温度选择840℃-860℃，加热约20秒，待焊片熔化后对工件从两端加压，压力大小为150MPa；焊后把工件放入石棉灰中缓慢冷却至室温，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图6所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例6
先对多晶金刚石复合片基体焊接面及圆锥体硬质合金扩延基体焊接面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体焊接面涂上脱水硼酸钎剂，剪取HL105(BCu58ZnMn)焊片放置在扩延基体焊接面上；然后使多晶金刚石复合片基体焊接面和扩延基体上的焊片对接，放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在高频感应焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，加热约25秒，待焊料熔化后对工件从两端加压，压力大小为0.5MPa；焊后把工件放入草木灰中缓慢冷却至室温，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图4所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例7
先对多晶金刚石石油钻齿表面及折弯体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取HL105(BCu58ZnMn)焊片放置在扩延基体表面；然后把多晶金刚石复合石油钻齿和扩延基体材料的表面对接放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在高频感应焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，加热30秒，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为45MPa；焊后把工件放入200℃-350℃马弗炉中保温6-8小时，然后随炉冷却，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图5所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例8
先对多晶金刚石石油钻齿表面及折弯体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上氟硼酸钾钎剂，剪取HL308(BAg70CuZn)焊片放在扩延基体表面；然后把多晶金刚石复合石油钻齿和扩延基体材料的表面对接放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在高频感应焊接设备上；焊接温度选择780℃-800℃，加热30秒，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为30MPa；焊后把工件放入草木灰中进行缓冷，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图5所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例9
先对多晶金刚石石油钻齿表面及圆柱体铜合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取HL105(BCu58ZnMn)焊片放在扩延基体表面；然后把多晶金刚石复合石油钻齿和扩延基体材料的表面对接放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在激光焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为400MPa；焊后把工件放入石棉灰中进行缓冷，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图2所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例10
先对多晶金刚石石油钻齿表面及圆柱体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取S221(BCu60ZnSn-R)焊片放置在扩延基体表面；然后把多晶金刚石复合石油钻齿和扩延基体材料的表面对接放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在激光焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为20MPa；焊后把工件放入石棉灰中进行缓冷，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图2所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。
实施例11
先对多晶金刚石石油钻齿表面及圆柱体硬质合金扩延基体表面进行焊前洁面处理，获得平整表面；在硬质合金扩延基体表面涂上脱水硼酸钎剂，剪取S221(BCu60ZnSn-R)焊片放置在扩延基体表面；然后把多晶金刚石复合石油钻齿和扩延基体材料的表面对接放入增压及冷却密封保护装置里，整体工装在氩弧焊接设备上；焊接温度选择940℃-960℃，待焊料熔化后对工件两端加压，压力大小为200MPa；焊后把工件放入石棉灰中进行缓冷，最后再对工件进行喷砂处理，去除焊缝残渣，即制备得到如附图2所示的用作钻头钻齿的新型多晶金刚石复合片。

Claims (10)

1.一种提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是在作为钻齿或刀齿的多晶金刚石复合片的基体(2)一端增加联接一扩延基体(3)。
2.根据权利要求1所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是基体与扩延基体之间的联接为焊接联接。
3.根据权利要求2所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是基体与扩延基体之间的焊接采用高频感应焊、激光焊、真空焊接、热等静压焊接、微波加热焊接、摩擦焊接或氩弧焊任一种方式进行。
4.根据权利要求3所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是基体与扩延基体之间的焊接包括以下步骤：
(1)基体焊接面和/或扩延基体焊接面上涂敷钎剂，将焊片置于基体焊接面和扩延基体焊接面之间，使基体焊接面、焊片和扩延基体焊接面之间相互保持对接；
(2)对基体与扩延基体的焊接面进行局部加热，同时对多晶金刚石复合片的多晶金刚石层进行冷却和气氛保护，加热至作为焊料的焊片熔化或接近融化后，对基体与扩延基体的焊接面加压，使基体与扩延基体焊接为一体；
(3)焊接结束后缓慢冷却至常温，以获得适用性得到提高的多晶金刚石复合片钻齿/刀齿。
5.根据权利要求4所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是在焊接面涂敷钎剂之前对基体焊接面和扩延基体焊接面进行表面清洁处理。
6.根据权利要求5所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是焊接面的表面清洁处理采用打磨、抛光、喷砂、超声清洗、酸碱处理中至少一种方式进行。
7.根据权利要求1至6之一所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是扩延基体的材质为硬质合金、铸铁、淬硬钢、钛合金或铜合金，扩延基体的形状为圆柱体、圆锥体、半球体、锥台体或折弯体。
8.根据权利要求4或5或6所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是多晶金刚石层的冷却采用水冷、油冷、酒精冷、液氮冷或气冷任一种方式进行。
9.根据权利要求4或5或6所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是从轴向对焊接面加压的压强为0.1MPa～1000MPa。
10.根据权利要求4或5或6所述的提高多晶金刚石复合片钻齿/刀齿适用性的方法，其特征是焊接完成后将焊接件放入草木灰或石棉灰中缓冷，或放入200℃-350℃马弗炉中保温6-8小时，然后随炉冷却，或其他可消除残余应力的方式。
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