CN105142828B - 接合不同尺寸和形状的烧结部件的方法 - Google Patents

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Abstract

接合多个部件以形成单个主体的方法，包括步骤：提供至少两个烧结部件，所述部件每个均由硬质合金或者金属陶瓷制成，至少一个烧结部件具有至少一个内部通道。所述至少两个烧结部件组装成为单个主体的形状，其中该至少两个部件每个均具有接合面，并且当各个接合面接触时，接合后的表面在之间形成结合界面。组装后的所述至少两个部件承受真空或者气体氛围而不施加外部压力，并且承受足以使所述至少两个烧结部件在结合界面处熔合在一起的温度，以形成所述单个主体。

Description

接合不同尺寸和形状的烧结部件的方法
技术领域
本申请涉及将不同尺寸和/或形状的部件或构件接合在一起以形成单个主体的方法，并且更具体地，涉及接合不同尺寸和/或形状的烧结部件以形成单个工具或者耐磨件的方法。
背景技术
高耐磨材料，例如硬质合金，广泛用于岩石和金属钻凿工具和耐磨部件。这些材料制成的主体经常以粉末冶金方法制造，也就是压实并烧结。
有许多方法用于接合多构件硬质合金主体。多部件硬质合金主体能够由不同的生坯体独立地形成。有时，独立地形成的生坯体也被独立地烧结，并且有时在磨削之后，例如通过锡焊、铜焊、直接压制或者收缩装配进行组装，以形成多区域硬质合金主体。因此，烧结后的主体的期望形式通常在烧结之前获得，在这之后，部分主体被烧结在一起，以形成具有所需要的、通常复杂的几何形状的主体，这是因为烧结体的机加工十分昂贵。
例如，生产多尺寸工具的标准方法包括生产具有最大尺寸的部件，然后，在烧结之前、之后去除材料或者在烧结之前以及之后均去除材料。这导致了大量的硬质合金损失。
替代地，独立形成的主体被组装，然后进行烧结。然而，包括独立形成的主体的、相同组分的不同组合对于烧结具有不同响应。成分的每一种组合均独特地响应于烧结温度、时间、气氛或者上述的任意组合，并且由此独特地收缩。
此外，由于大量液相迁移相当长的距离进入到各个主体中，故存在缺陷。有时，这会导致剧烈的成分变化。
已知的是形成由不同材料构成的复杂形状的物体，其中材料之间的界面可能会十分狭小。参见美国专利号6,315,945，其中布置多个分离主体，使得每个分离组件都与至少一个其它分离主体接触，以形成聚合体。然后，该聚合体在足以形成固化成形制品的温度、超大气压力、温度时间以及超大气压力时间下被固化。固化成形制品的形状由用以制成该制品的每个分离主体限定。然而，使用超大气压力是耗时且昂贵的。
美国专利号6,908,688也公开了使用超大气压力来形成具有不同接合体的硬质金属工具。在这一方法以及其它已知方法中，发生成分穿过部件边界的明显迁移。这能够导致脆化相的析出以及具有中间特性的长梯度区，这在严重的情况下导致大尺度上的密度变化且因此导致部件的扭曲。
因此，需要一种在无需压力、无边界处的晶粒生长或者昂贵材料浪费情况下接合或熔合预先烧结构件以形成具有复杂几何形状的工具的方法。
发明内容
在一个方面，本发明提供了接合多个部件以形成单个主体的方法，包括步骤：提供至少两个烧结部件，每个部件都是由硬质合金或者金属陶瓷制成的，至少一个烧结部件具有至少一个内部通道。该至少两个烧结部件被组装成单个主体的形状，其中该至少两个部件每个均具有接合面，并且当各个接合面相接触时，这些接合面在之间形成结合界面。组装后的所述至少两个部件承受真空或者气体氛围而不施加外部压力，并且承受足以使该至少两个烧结部件在结合界面处熔合在一起的温度，以形成单个主体。
在另一方面，耐磨工具包含多个烧结部件。该多个烧结部件中的至少一个具有至少一个内部通道。所述多个烧结部件每个均由硬质合金或者金属陶瓷制成，其中所述多个部件可以组装成单个主体的形状。接合面布置在所述多个烧结部件中的每个上，其中当组装这些部件时，各个接合面接触，以在它们之间形成结合界面，以便使得当组装后的部件承受真空或者气体氛围而不施加外部压力并且承受足以熔合该多个部件的温度时，该多个部件在相应的结合界面处接合在一起，形成单个主体。
通过以下参考附图关于最优实施例的详细描述，本公开的这些和其它目的、特征、方面和优点将变得更明显，其中：
附图说明
图1是例示本方法的步骤的流程图。
图2A是根据本方法制成的又一主体的透视图。
图2B是图2A中的主体的端视图。
图2C是沿图2A中的线I-I截取的主体的截面图。
图3A是根据本方法制成的又一主体的透视图。
图3B是图3A中的主体的端视图。
图3C是沿图3A中的线II-II截取的主体的截面图。
具体实施方式
参见图1和图2A-2C，描述了结合或者接合至少两个部件的方法。在第一步骤12中，提供多个部件32和34。这些部件能够具有同样尺寸或形状，也能够具有不同尺寸或形状。应当理解，根据本发明公开，能够接合多个部件，而不局限于形成单个主体30使用的特定部件数目。单个主体定义为由连接的多个部件构成的单一主体。例如，主体30可以是耐磨工具，比如具有不同直径部分的阶梯钻具。
部件32和34能够用液相烧结材料压实体的硬质合金或者金属陶瓷制成，所述液相烧结材料包括低熔点相组分和高熔点相组分。硬质合金具有硬质相，其包括由典型地为钴、镍、铁或其组合的金属相以变化比例结合的碳化钨以及钛、铬、钒、钽、铌的一种或多种碳化物、氮化物或碳氮化物。金属陶瓷具有硬质相，其包括由典型地为钴、镍、铁或其组合的金属相以变化比例结合的钛、铬、钒、钽、铌的一种或多种碳化物、氮化物或碳氮化物。
金属陶瓷和硬质合金以不同等级存在。等级在本文中是指采用多种比例中的一种比例并且具有一定粒径的硬质合金或金属陶瓷。等级的性能及可靠性取决于金属陶瓷和硬质合金的成分。高品质等级是在给定应用中具有可量化的更高性能和可靠性的材料。
例如，这些部件可以是同样组分的或被熔合在一起且在等级和/或粒径方面不同的两种或更多种不同组分的硬质合金，如将稍后描述的那样。
每个部件已被烧结，用于获得部件的基本上完全的密度和硬度。参见步骤14。每个部件具有接合面38。在步骤16中，部件在配合/接合面上被研磨或机加工，以在部件之间提供充分光滑的光洁度。这些部件也能够例如以氢清洗处理进行清洁，以在结合面处提供清洁界面。此后，在步骤18中，各个部件被组装成所需的工具形状。
步骤20包括使部件以装配关系接触，其中部件中的两个部件之间的第一结合或接合面38与部件中的其它部件之间的第二结合或接合面匹配接合，以各自限定结合或者边界区域36。之后，采用对处于组装关系的部件进行加热，以将这些部件熔合在一起。
在步骤20中，部件以足够低以便使得不发生晶粒生长的温度熔合。例如，在大约1340℃至大约1360℃的温度下加热约10分钟至约30分钟，优选在约1350℃的温度下加热约15分钟。也就是说，部件以比具有最低的部件起始烧结温度的硬质合金的熔点低的温度或介于该熔点中间的温度被熔合。这一较低温以及较短的时间允许在熔合中，粘结剂金属穿过界面的扩散具有较短的范围，并且在微观结构上不引起晶粒尺寸变化。
这一步骤取出已经致密且硬化的碳化物块，并将其放回到烧结炉中。但是，如在第一次烧结操作中那样，部件并没有收缩且更加致密，而是在物理特性方面保持基本相同。可能会产生最小量的液相，但仍能进行结合。
再次参见图2A-2C，本方法允许接合不同尺寸、不同形状的烧结部件，以形成单个主体工具或耐磨件。尽管在本示例中描述了工具30，但应理解且如在下面示例中所示的那样，由不同材料、尺寸或形状的部件组成的主体能够根据本方法来制成。因此，这些构件的尺寸和/或形状依赖于所需的特定单个主体或工具，并且因此，特定的物理和/或尺寸特征也用以满足预期用途。
不同级别材料可被接合，以优化例如工具或耐磨件的局部性质。由此，例如，材料的耐磨性、韧性、钎焊性、摩擦系数和/或立方氮化硼含量可以根据材料在工具或耐磨件中的位置进行选择。另外，还可以选择钴或晶粒尺寸的不匹配，以引起粘接剂金属熔合且因此引起密度变化。这可以在工具或部件表面产生压应力，以提供增韧效果。同时，具有大的钴含量或者晶粒尺寸的不匹配的多层可被整合，用于裂纹偏转。
本方法允许在熔合部件的界面处预成形凹槽、通道或孔，以允许构建冷却通道。再次参见图2A-2C，工具或耐磨件30具有多个内部冷却剂通道，用于冷却剂在部件内部流动的应用，这样冷却剂不会接触材料。该特征允许工作环境保持清洁，且易于回收利用。
如所示的，主体32具有沿主体的中心延伸的进给通道40。多个螺旋状通道/孔42沿工具长度延伸。冷却剂流过进给通道40，并流出螺旋通道42。螺旋通道42被部件或部位34阻挡，部件或部位34在边界区域38处熔合到主体34。
在工具或钻具的顶端中能够设置任何数量、位置和/或角度的冷却剂通道/孔，而不用改变钻具的其余部分。如图3A-3C所示，钻具50具有主体或柄部52以及末端或顶端54，根据本发明的方法，主体或柄部52与末端或顶端54在接合面56和边界区58处熔合。主体52具有内部冷却剂通道60。顶端54具有多个冷却剂孔62，冷却剂孔的几何结构能够在熔合操作之前机加工出来。例如，顶端坯料可在处于预烧结生坯阶段时在坯体上钻凿出冷却剂孔62，以得到处于任意角度和直径的孔。
本方法可用以由不同部件的储库构建复杂形状，允许底切、侧孔、空隙、轮廓变化等等等，但避免MAP/PIM或机加工。
最重要的是，任何上述特征可以组合在单独的工具或部件中。例如，可以认真选取不同的部件并将其接合在一起，从而满足其中需要磨损、耐化学性等的特定应用。
本方法提供了很多优点，包括但不限于，明显的成本节约以及环境友好型生产。关键优点还包括通过常规工艺或机加工方法无法实现的复杂形状成形。同时，还能够实现以当前方法不可能实现的材料组合。
尽管已经参考本公开的具体实施例描述了本公开，但许多其它变化、修改以及其它用途对于本领域技术人员将变得显而易见。因此优选地，本公开不由本文公开的具体示例限定，而仅由所附权利要求书限定。

Claims (26)

1.接合多个烧结部件以形成单个主体的方法，包括以下步骤：
提供至少两个烧结部件，所述烧结部件每个均由硬质合金或者金属陶瓷制成，至少一个烧结部件具有至少一个内部通道；
将所述至少两个烧结部件组装成单个主体的形状，其中，所述至少两个烧结部件每个均都具有接合面，并且当各个接合面接触时，接合后的表面在之间形成结合界面；
使组装后的所述至少两个烧结部件承受真空或者气体氛围而不施加外部压力，并且承受足以使所述至少两个烧结部件在所述结合界面处熔合在一起的温度，以形成所述单个主体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少两个烧结部件每个均由相同或者不同的硬质合金或者金属陶瓷制成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述烧结部件每个均是硬质合金。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述硬质合金包含碳化钨和钴粘结剂。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：组装后的所述至少两个烧结部件被加热至低于熔点或介于熔点中间的温度，以将这些烧结部件在所述结合界面熔合起来，所述熔点为组装后的所述至少两个烧结部件中的各烧结部件的较低烧结温度。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：组装后的所述至少两个烧结部件被加热至1340℃至1360℃的温度10分钟至30分钟的时间段。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：组装后的烧结部件被加热至1350℃的温度15分钟。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述至少两个烧结部件每个均具有不同的形状和/或不同的尺寸。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述单个主体是工具坯体或者耐磨件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述单个主体是耐磨工具。
11.根据权利要求中1或2所述的方法，进一步包括步骤：在将所述至少两个烧结部件组装和熔合在一起的步骤之前，将所述至少两个烧结部件中的至少一个烧结部件机加工出所述至少一个内部通道。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述至少两个烧结部件中的具有至少一个内部通道的所述至少一个烧结部件中机加工出具有预定角度和位置的多个内部冷却剂通道。
13.根据权利要求10中所述的方法，其中所述耐磨工具是钻具，并且其中设置第一烧结部件和第二烧结部件，所述第一烧结部件用第一等级的金属陶瓷或硬质合金制成，形成钻具的钻柄，而第二烧结部件用第二等级的金属陶瓷或硬质合金制成，形成钻具的钻尖。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述单个主体是钻具，并且其中设有多个烧结部件，所述多个烧结部件每个均形成钻具的一段。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述钻具的至少两段是由不同的硬质合金组合材料制成的。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在至少一个烧结部件中机加工出多个冷却剂孔，并且具有所述多个冷却剂孔的所述至少一个烧结部件被熔合到具有所述至少一个内部通道的所述至少一个烧结部件。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的方法制成的耐磨工具。
18.耐磨工具，包括：
多个烧结部件，所述多个烧结部件每个均由硬质合金或者金属陶瓷制成，所述多个烧结部件中的至少一个具有至少一个内部通道，其中所述多个烧结部件能够组装成单个主体的形状；以及
设置在所述多个烧结部件中的每个烧结部件上的接合面，其中当组装该多个烧结部件时，各接合面接触，以在接合面之间形成结合界面，以便使得在组装后的烧结部件承受真空或者气体氛围而不施加外部压力时，以及承受足以熔合该多个烧结部件的温度时，该多个烧结部件在各自的结合界面处接合在一起，以形成单个主体的耐磨工具。
19.根据权利要求18所述的耐磨工具，其特征在于：所述多个烧结部件每个均具有不同的尺寸和/或不同的形状。
20.根据权利要求18或19所述的耐磨工具，其特征在于：所述硬质合金是用钴粘结剂粘结的碳化钨。
21.根据权利要求18或19所述的耐磨工具，其特征在于：所述多个烧结部件每个均由相同或者不同的硬质合金制成。
22.根据权利要求18或19所述的耐磨工具，其特征在于：组装后的烧结部件被加热至介于熔点中间的温度或接近该熔点的温度，以将所述烧结部件在所述结合界面处熔合，该熔点为所述多个烧结部件中的各个烧结部件的较低烧结温度。
23.根据权利要求18或19所述的耐磨工具，其特征在于：在所述多个烧结部件中的至少一个烧结部件中机加工出具有预定角度和位置的多个内部冷却剂通道。
24.根据权利要求18或19所述的耐磨工具，其特征在于：该工具是钻具，且形成钻具的钻柄的第一烧结部件用第一等级的金属陶瓷或硬质合金制成，形成钻具的钻尖的第二烧结部件用第二等级的金属陶瓷或硬质合金制成。
25.根据权利要求18或19所述的耐磨工具，进一步包括设置在所述多个烧结部件中的至少一个中的多个冷却剂孔。
26.根据权利要求25所述的耐磨工具，其特征在于：具有所述多个冷却剂孔的烧结部件被熔合到所述多个烧结部件中的具有所述至少一个内部通道的所述至少一个烧结部件。
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