CN104153713A - 超硬材料复合片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超硬材料复合片及其制造方法。其中超硬材料复合片包括基体和超硬材料层，所述基体的各个侧面均具有用于与所述超硬材料层结合固定的结合面，所述超硬材料层通过所述基体的各个侧面上的结合面结合固定在基体上，所述超硬材料层结合在各所述结合面上的部分相互连接。因此，与现有技术相比，基体与超硬材料层之间能够依靠基体的各个侧面具有更大的结合面积，并且超硬材料层结合在各所述结合面上的部分相互连接可以使位于某一侧面处的超硬材料层能够依靠与其相邻的超硬材料层更牢固地与基体结合，承受更大的受力，从而有效地预防基体与超硬材料之间的结合面开裂，形成牢固的结合。

Description

超硬材料复合片及其制造方法

技术领域

本发明涉及超硬材料复合片及其制造方法。

背景技术

超硬材料具有很高的强度和良好的耐磨性能，例如聚晶金刚石、立方氮化硼或者陶瓷等，常被应用于钻具、刀片等场合。整体聚晶金刚石刀片、整体立方氮化硼刀片和陶瓷刀片工作区域只有刃口部位，刀片除刃口外其他部位在切削过程中仅起到支撑的作用，但是聚晶金刚石、立方氮化硼材料和陶瓷材料做支撑材料存在一定的缺陷，其成本高，质脆，不易开槽或开孔，所以整体聚晶金刚石、立方氮化硼刀片和陶瓷刀片一般不设置刀片定位孔。并且，由于这些整体刀片的刃口磨损后刀具就会失去价值，因此会浪费很多金刚石或者立方氮化硼等原料，不符合绿色环保节能的发展趋势。

超硬材料复合片一般由聚晶金刚石、立方氮化硼或者陶瓷材料与硬质合金在高温高压条件下烧结而成，聚晶金刚石、立方氮化硼或者陶瓷材料作为工作层，硬质合金作为支撑体，二者复合而成的复合片能够兼具聚晶金刚石、立方氮化硼或者陶瓷材料高硬度、高耐磨特性和硬质合金的高强度、抗冲击韧性等特点，能够作为复合刀片广泛用于硬度材料及难加工材料的切削加工，如淬硬钢、高合金耐磨铸铁、高温合金、高速钢、表面喷焊材料、烧结金属材料等难加工材料的切削加工。但是，聚晶金刚石、立方氮化硼或者陶瓷材料与硬质合金复合刀片在烧结过程中，由于两种材料之间膨胀系数不同，润湿度不高，且早期的两种材料间的结合面是平面结构，因此结合效果不理想，结合面处容易产生开裂。申请号为201120224121.6、授权公告号为CN 202181849 U的中国专利公开了一种金刚石硬质合金复合片，包括硬质合金制成的基体和通过高压高温烧结在硬质合金基体上表面的聚晶金刚石层，所述的硬质合金基体上表面设有均匀分布且前后错开的凸起单元，使各凸起单元周围的凹槽间隔分布且相互连通，该凸起单元可以为四棱锥台、圆锥台、长方体、圆柱体或正六棱锥台，从而在一定程度上提升了硬质合金基体和聚晶金刚石层的结合强度，减小了应力，提高抗冲击性。但是，由于两种材料之间膨胀系数不同，润湿度不高的问题仍然存在，上述复合片的结合强度和抗冲击性能仍十分有限，仍然会出现结合面开裂的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效地预防基体与超硬材料之间的结合面开裂的超硬材料复合片，同时，本发明还提供了一种超硬材料复合片的制造方法。

本发明中超硬材料复合片采用的技术方案是：超硬材料复合片，包括基体和超硬材料层，所述基体的各个侧面均具有用于与所述超硬材料层结合固定的结合面，所述超硬材料层通过所述基体的各个侧面上的结合面结合固定在基体上，所述超硬材料层结合在各所述结合面上的部分相互连接。

所述结合面为朝外凸起的外凸结合面，所述基体的各个侧面上的外凸结合面之间平滑过渡连接。

所述外凸结合面的凸起高度小于相应基体对应侧面的半径或小于相应基体对应侧面的边长的一半。

所述结合面为设有凸起结构和/或凹陷结构的结合面，所述凸起结构或凹陷结构的棱边设有倒角。

所述基体的整个外表面均为结合面，所述基体完全被包覆在所述超硬材料层中。

所述基体上设有贯通相应侧面的刀片定位孔，所述基体上除刀片定位孔的孔口外的表面均为结合面。

本发明中超硬材料复合片的制造方法采用的技术方案是：超硬材料复合片的制造方法，该方法包括以下步骤：步骤一、在用于制造超硬材料复合片的基体的各个侧面上分别加工出用于与超硬材料层结合固定的结合面；步骤二、将用于形成超硬材料层的超硬材料粉料环绕在基体外，并且使超硬材料粉料与各所述结合面对应的部分相互连接；步骤三、将环绕好的超硬材料粉料与基体共同烧结，在基体外部形成与基体通过结合面结合固定的超硬材料层。

所述结合面为朝外凸起的外凸结合面，所述基体的各个侧面上的外凸结合面之间平滑过渡连接；所述结合面上设有凸起结构和/或凹陷结构，所述凸起结构或凹陷结构的棱边设有倒角。

所述基体设置在超硬材料粉料的中心位置，通过控制环绕在基体外的超硬材料粉料的用量使所述基体完全被包覆在所述超硬材料层中。

所述基体设置在超硬材料粉料的中心位置，所述基体上设有贯通相应侧面的刀片定位孔，通过控制环绕在基体外的超硬材料粉料的用量使所述基体上除刀片定位孔的孔口外的表面均被包覆在所述超硬材料层中。

本发明采用上述技术方案，超硬材料复合片的基体的各个侧面均具有用于与所述超硬材料层结合固定的结合面，所述超硬材料层通过所述基体的各个侧面上的结合面结合固定在基体上，所述超硬材料层结合在各所述结合面上的部分相互连接，因此，与现有技术相比，基体与超硬材料层之间能够依靠基体的各个侧面具有更大的结合面积，并且超硬材料层结合在各所述结合面上的部分相互连接可以使位于某一侧面处的超硬材料层能够依靠与其相邻的超硬材料层更牢固地与基体结合，承受更大的受力，从而有效地预防基体与超硬材料之间的结合面开裂，形成牢固的结合。

附图说明

图1是本发明中超硬材料复合片的实施例一的剖视图；

图2是图1的A—A剖视图；

图3是图1中基体的上表面和下表面上凹陷结构的轮廓和形状的示意图；

图4是图3的A’—A’剖视图；

图5是图4中凹陷结构的形状示意图；

图6是本发明中超硬材料复合片的实施例二的剖视图（基体表面凹陷结构未示出）；

图7是图6的B—B剖视图（基体表面的凹陷结构未示出）；

图8是图6中基体的结合面上凹陷结构的轮廓放大示意图；

图9是图8中凹陷结构的形状示意图；

图10是本发明中超硬材料复合片的实施例三的剖视图（基体表面的凸起结构和凹陷结构未示出）；

图11是图10的C—C剖视图（基体表面的凸起结构和凹陷结构未示出）；

图12是图10中基体的结合面上凸起结构和凹陷结构的轮廓放大示意图；

图13是图12中凸起结构和凹陷结构的形状示意图；

图14是本发明中超硬材料复合片的实施例四的剖视图（基体表面的凸起结构未示出）；

图15是图14的D—D剖视图（基体表面的凸起结构未示出）；

图16是图14中基体的结合面上凸起结构的轮廓放大示意图；

图17是图16中凸起结构的形状示意图；

图18是本发明中超硬材料复合片的实施例五的剖视图（基体表面的凸起结构未示出）；

图19是图18的E—E剖视图（基体表面的凸起结构未示出）；

图20是图18中基体的结合面上凸起结构的轮廓放大示意图；

图21是图20中凸起结构的形状示意图；

图22是本发明中超硬材料复合片上局部凸起结构或凹陷结构的一种排布方式的示意图；

图23是本发明中超硬材料复合片上局部凸起结构或凹陷结构的另一种排布方式的示意图。

图中各附图标记对应的名称为：1基体，11凸起结构，12凹陷结构，13刀片定位孔，2超硬材料层。

具体实施方式

本发明中超硬材料复合片的实施例一如图1~图5所示，是用于机械加工领域的超硬材料复合刀片，该超硬材料复合刀片是横截面为圆形的圆形刀片，由超硬材料层2和硬质合金制成的基体1两部分组成，基体1设置在超硬材料层2的中心位置，形成芯部结构。基体1的形状接近圆柱状，具有上表面、下表面和圆周面三个侧面，上表面、下表面和圆周面均为向外成圆弧形凸起的外凸结合面，三者之间平滑过渡连接；圆周面上的外凸结合面在基体1的轴向方向上的中间尺寸大于两侧尺寸。基体1的上表面和下表面上均设有不规则排列的凹陷结构12，包括两圈同轴设置的环形凹陷和八条沿径向设置的辐射状凹陷，辐射状凹陷的宽度由圆心向外逐渐增大，在基体1的上表面和下表面隔离出表面积大小不一的区域，靠近圆心的区域表面积小，远离圆心的表面积大，能够保证基体1与超硬材料层2的良好结合；基体1的圆周面上设有形状为圆柱形的凹陷结构12，如图5所示。制造时，通过控制用于形成超硬材料层2的超硬材料粉料的用量，使烧结形成的超硬材料层2能够完全把基体1包覆起来，并通过设有凹陷结构12的外凸结合面与基体1结合固定。

本发明中超硬材料复合片的实施例二如图6~图9所示，与实施例一的不同之处在于：本实施例中，超硬材料复合刀片是横截面为菱形的菱形刀片，基体1具有上表面、下表面和四个外侧面等六个侧面，六个侧面均为向外成圆弧形凸起且彼此之间平滑过渡连接的外凸结合面。基体1的六个侧面上均设有棱锥台形状的凹陷结构12，棱锥母线与基线夹角小于90°，且小端朝内。制造时，通过控制用于形成超硬材料层2的超硬材料粉料的用量，使烧结形成的超硬材料层2能够完全把基体1包覆起来，并通过设有凹陷结构12的外凸结合面与基体1结合固定。

本发明中超硬材料复合片的实施例三如图10~图13示，与实施例一的不同之处在于：本实施例中，超硬材料复合刀片是横截面为方形的方形刀片，基体1具有上表面、下表面和四个外侧面等六个侧面，六个侧面均为向外成圆弧形凸起且彼此之间平滑过渡连接的外凸结合面。基体1的六个侧面上均设有方柱形状的凹陷结构12和凸起结构11。制造时，通过控制用于形成超硬材料层2的超硬材料粉料的用量，使烧结形成的超硬材料层2能够完全把基体1包覆起来，并通过设有凹陷结构12和凸起结构11的外凸结合面与基体1结合固定。

本发明中超硬材料复合片的实施例四如图14~图17所示，与实施例一的不同之处在于：本实施例中，超硬材料复合刀片是横截面为三角形的三角形刀片，基体1具有上表面、下表面和三个外侧面等五个侧面，五个侧面均为向外成圆弧形凸起且彼此之间平滑过渡连接的外凸结合面。基体1的五个侧面上均设有圆锥台形状的凸起结构11，圆锥母线与基线夹角小于90°，且大端朝内。制造时，通过控制用于形成超硬材料层2的超硬材料粉料的用量，使烧结形成的超硬材料层2能够完全把基体1包覆起来，并通过设有凸起结构11的外凸结合面与基体1结合固定。

本发明中超硬材料复合片的实施例五如图18~图21所示，与实施例三的不同之处在于：本实施例中，基体1的六个侧面上均设有棱锥台形状的凸起结构11，棱锥母线与基线夹角小于90°，且大端朝内。并且，成品刀片上设有贯通上表面和下表面的刀片定位孔13，制造时，通过控制用于形成超硬材料层2的超硬材料粉料的用量，使基体1上除了与刀片定位孔13的孔口相对应的部分以外的表面均被包覆在所述超硬材料层2中，并通过设有凸起结构11的外凸结合面与基体1结合固定。这样，超硬材料层2结合到基体1上以后，能够在裸露出来的硬质合金芯部很容易地开设刀片定位孔13，很好地解决环绕材料和现有技术中整体超硬材料刀片存在的难加工孔的弊端，便于使用时装夹定位。

上述各实施例中的超硬材料层2可以为立方氮化硼聚晶体、金刚石聚晶体以及陶瓷材料中的任意一种。而上述各实施例中用于形成芯部的基体1的结合面均为向外凸起的圆弧面，能够在高压高温合成过程中减少与超硬材料之间的应力，提高复合片的韧性，同时还能够增大结合面积。另外，上述各实施例中结合面为设有等间距均匀分布的凸起结构11和/或凹陷结构12的结合面，同样能够起到增大结合面积、提高结合力的作用，并且在凸起结构11和/或凹陷结构12的棱边设有倒角，避免出现死角，能够有效地减小因结构突变造成的应力集中。为了更好地避免由于残余应力集中而导致的裂纹，上述各实施例中的凸起结构11或凹陷结构12的径向尺寸均不大于10mm，相邻凸起结构11和/或凹陷结构12之间的间距也不大于10mm，设计过程中，可以尽可能多的增加凸起结构11和/或凹陷结构12的数量，减少凸起结构11和/或凹陷结构12的尺寸，实现增加比表面积，提高实际结合强度的效果；而凸起结构11或凹陷结构12的排列形式可以参考图22、图23的排列规则排列形式，也可以采用非规则排列形式。并且，外凸结合面的凸起高度小于基体1对应侧面的半径或基体1对应侧面的边长的一半，能够避免在高温高压合成时产生应力集中。

制造上述超硬材料复合片时，首先在用于制造超硬材料复合片的基体1的各个侧面上分别加工出上述用于与超硬材料层2结合固定的结合面，然后将用于形成超硬材料层2的超硬材料粉料环绕在基体1外，放置到相应的模具中，并且使超硬材料粉料与各所述结合面对应的部分相互连接；最后，将环绕好的超硬材料粉料与基体1共同烧结，在基体1外部形成与基体1通过结合面结合固定的超硬材料层2，得到超硬材料复合片。通过控制超硬材料粉料的用量，可以使基体1完全被包覆在所述超硬材料层2中，形成如实施例一—实施例四中的复合刀片；或者使基体1上除刀片定位孔13的孔口外的表面均被包覆在所述超硬材料层2中，形成如实施例五中的复合刀片。上述制造方法也即本发明中超硬材料复合片的制造方法的一个实施例。

在上述实施例中，基体1各个侧面上的结合面均为向外成圆弧形凸起的外凸结合面，并且结合面上设有凸起结构11和/或凹陷结构12。在本发明的其他实施例中，基体1各个侧面上的结合面也可以是平面或者其他形式的结合面，例如波浪形结合面，而结合面向外凸起的形状也可以是其他形状，例如成角形凸起、非圆弧弧形凸起等。另外，结合面上的凸起结构11和/或凹陷结构12也可以省去或根据需要设置成其他形状，例如半球形、正多边形等，而在其他实施例中，超硬材料复合片的形状也可以是ISO 标准中的其他形状，也可以是非标刀型。再者，在其他实施例中，与基体1各侧面对应的超硬材料层2也可以部分连接在一起，而不用把基体1各侧面的过渡处完全包覆。

Claims (10)

1.超硬材料复合片，包括基体和超硬材料层，其特征在于：所述基体的各个侧面均具有用于与所述超硬材料层结合固定的结合面，所述超硬材料层通过所述基体的各个侧面上的结合面结合固定在基体上，所述超硬材料层结合在各所述结合面上的部分相互连接。

2.根据权利要求1所述的超硬材料复合片，其特征在于：所述结合面为朝外凸起的外凸结合面，所述基体的各个侧面上的外凸结合面之间平滑过渡连接。

3.根据权利要求2所述的超硬材料复合片，其特征在于：所述外凸结合面的凸起高度小于相应基体对应侧面的半径或小于相应基体对应侧面的边长的一半。

4.根据权利要求1或2或3所述的超硬材料复合片，其特征在于：所述结合面为设有凸起结构和/或凹陷结构的结合面，所述凸起结构或凹陷结构的棱边设有倒角。

5.根据权利要求1或2或3所述的超硬材料复合片，其特征在于：所述基体的整个外表面均为结合面，所述基体完全被包覆在所述超硬材料层中。

6.根据权利要求1或2或3所述的超硬材料复合片，其特征在于：所述基体上设有贯通相应侧面的刀片定位孔，所述基体上除刀片定位孔的孔口外的表面均为结合面。

7.超硬材料复合片的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 步骤一、在用于制造超硬材料复合片的基体的各个侧面上分别加工出用于与超硬材料层结合固定的结合面； 步骤二、将用于形成超硬材料层的超硬材料粉料环绕在基体外，并且使超硬材料粉料与各所述结合面对应的部分相互连接； 步骤三、将环绕好的超硬材料粉料与基体共同烧结，在基体外部形成与基体通过结合面结合固定的超硬材料层。

8.根据权利要求7所述的超硬材料复合片的制造方法，其特征在于：所述结合面为朝外凸起的外凸结合面，所述基体的各个侧面上的外凸结合面之间平滑过渡连接；所述结合面上设有凸起结构和/或凹陷结构，所述凸起结构或凹陷结构的棱边设有倒角。

9.根据权利要求7或8所述的超硬材料复合片的制造方法，其特征在于：所述基体设置在超硬材料粉料的中心位置，通过控制环绕在基体外的超硬材料粉料的用量使所述基体完全被包覆在所述超硬材料层中。

10.根据权利要求7或8所述的超硬材料复合片的制造方法，其特征在于：所述基体设置在超硬材料粉料的中心位置，所述基体上设有贯通相应侧面的刀片定位孔，通过控制环绕在基体外的超硬材料粉料的用量使所述基体上除刀片定位孔的孔口外的表面均被包覆在所述超硬材料层中。