CN106735665B - 一种用于焊接cvd金刚石与硬质合金的装置、方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置、方法及其应用，所述装置包括：一石墨模具，所述石墨模具包括容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔以及与所述试样腔配合的盖体；一焊接腔室，所述焊接腔室内包括升温装置、进气口及抽气口；所述升温装置与所述石墨模具连接，用于对所述石墨模具加热；所述进气口与保护气体进入装置连接，用于向所述焊接腔室内通入保护气体；所述抽气口与抽真空装置连接，用于对所述焊接腔室进行抽真空。本发明方法保证了CVD金刚石与硬质合金的焊接过程在高真空，有保护性气氛的环境中进行，避免了大气中有害气体对焊接界面性能的影响，显著提高了硬质合金与CVD金刚石焊接的质量与连接处的稳定性，提高了焊接的效率。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置、方法及其应用。
背景技术
金刚石具有优异的物理和化学性能，硬度达到70-100GPa；金刚石的热导率极高，热膨胀系数极小；化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性等优良特性。由于高质量CVD金刚石片的性能与天然金刚石相同或相近，CVD金刚石在工业领域有很多的应用，例如在硬质地层方面，CVD金刚石比PDC更耐磨，能解决传统PDC钻头的使用寿命短和稳定性差的问题，因此CVD金刚石片钻头在高质量钻头领域有非常广阔的前景。
CVD钻头齿的工业应用需要实现CVD金刚石与硬质合金的高质量连接，金刚石属碳的等轴晶体，其原子的共价键具有饱和性和方向性，这就使得金刚石很难被其它物质浸润和焊接，所以金刚石与金属的焊接性很差。一定的条件下，过渡族元素Ti、V、Cr、W等，能够与金刚石的碳在两者接触面表层形成一层碳化物，钎焊通过这层碳化物实现了CVD金刚石、钎料和金属基体之间较强的冶金结合。目前普遍的CVD金刚石与硬质合金的焊接方法是采用常规设备和工艺烧结如：高频感应加热焊、氩弧焊、电阻钎焊等，这些传统方法的焊接过程中金属表面与焊料在高温下极易被氧化，被氧化了的金属表面，无法与金刚石生成金属碳化物过渡层，焊接的结合力不理想。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置、方法及其应用，所述方法显著提高了硬质合金与CVD金刚石焊接的质量与连接处的稳定性，提高了焊接的效率。
为了达到上述目的，本发明的主要目的在于提供一种用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置，所述装置包括：
一石墨模具，所述石墨模具包括容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔以及与所述试样腔配合的盖体；
一焊接腔室，所述焊接腔室内包括升温装置、进气口及抽气口；所述升温装置与所述石墨模具连接，用于对所述石墨模具加热；所述进气口与保护气体进入装置连接，用于向所述焊接腔室内通入保护气体；所述抽气口与抽真空装置连接，用于对所述焊接腔室进行抽真空。
作为进一步的优选，所述盖体与所述试样腔通过螺纹连接。
作为进一步的优选，所述升温装置包括感应线圈，所述感应线圈围绕在所述石墨模具外表面。
作为进一步的优选，所述焊接腔室内还设置有监测所述试样腔内温度的测温装置。
作为进一步的优选，所述测温装置为红外测温仪。
作为进一步的优选，所述石墨模具设置有通气孔。
本发明的另一个目的在于提供一种焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，所述方法包括：
提供一石墨模具，所述石墨模具包括容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔以及与所述试样腔配合的盖体；
将所述硬质合金放入所述石墨模具的试样腔中，所述CVD金刚石叠放在所述硬质合金表面，所述CVD金刚石朝向所述硬质合金一侧的表面涂有焊料；
将所述石墨模具的盖体朝所述CVD金刚石与硬质合金的方向拧入；
提供一焊接腔室，所述焊接腔室内包括升温装置、进气口及抽气口；
将所述石墨模具放入焊接腔室内，所述升温装置对所述石墨模具加热；通过所述抽气口对所述焊接腔室进行抽真空，通过所述进气口向所述焊接腔室内通入保护气体，控制升温装置的温度使石墨模具温度升高并恒温；
在真空状态下，控制升温装置的温度来冷却所述石墨模具，去真空后取出石墨模具，打开石墨模具取出焊接完成的CVD金刚石与硬质合金结合件。
作为进一步的优选，所述升温装置包括感应线圈，控制所述升温装置的温度包括：增大或减小感应线圈的电流。
作为进一步的优选，所述感应线圈加热的频率为100-200kHz。
作为进一步的优选，所述升温装置对石墨模具加热至所述CVD金刚石与硬质合金的温度为780-850℃，温度上升时间30-60秒；恒温时间为2-3分钟；所述冷却时间为120-180秒。
作为进一步的优选，所述焊接腔室内真空大于0且≤10pa。
作为进一步的优选，在所述硬质合金放入所述石墨模具的试样腔步骤之前，所述方法还包括：将待焊接的CVD金刚石与硬质合金进行清洗。
作为进一步的优选，所述清洗包括：将CVD金刚石的焊接面进行氢等离子体清洗，用去离子水对CVD金刚石和硬质合金进行超声清洗去除表面浮尘，干燥后待用。
作为进一步的优选，氢等离子体清洗时间为30-120分钟。
作为进一步的优选，所述CVD金刚石厚度为10-20mm，直径6-24mm，硬质合金厚度为6-15mm，直径6-24mm。
作为进一步的优选，所述石墨模具为三高细颗粒石墨压制，所述试样腔直径6-30mm，深度6-15mm。
作为进一步的优选，所述焊料为Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti。
作为进一步的优选，所述保护气体选自氢气或者氩气，气体流量500-1000毫升/分钟。
本发明的另一个目的在于提供一种焊接CVD金刚石与硬质合金的方法的应用，用于将焊接后的CVD金刚石与硬质合金结合件用来制备钻头齿。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置用于容纳CVD金刚石与硬质合金的石墨模具以及具有升温装置、进气口及抽气口的焊接腔室，保证了CVD金刚石与硬质合金的焊接过程在高真空，有保护性气氛的环境中进行，避免了大气中有害气体对焊接界面性能的影响，实现了高质量的焊接。
(2)本发明将焊接试样(CVD金刚石与硬质合金)固定在带有通气孔的石墨模具中，解决了焊接过程中CVD金刚石与硬质合金的定位问题，同时，石墨模具在焊接过程中对焊接试件提供持续稳定的压力，防止焊接过程中焊料聚集，焊缝变形，有效地提高了焊接界面综合性能，本发明显著提高焊接质量与稳定性，提高CVD金刚石与金属的焊接效率。而传统方法例如真空烧结炉升温缓慢，在升温过程中焊料会聚集堆积在一起，无法平铺在金刚石与金属的交界处，导致焊缝组织变形和焊缝粗大，此外，升温过慢会导致焊料挥发形成气孔，影响焊接的质量。
(3)本发明可通过测温装置监测焊接试样的温度，以便控制升温装置来使焊接试样处于适宜的温度，保证焊接质量。另外，在焊接腔室还可设置观察窗，以便观察测温装置和石墨模具等的状态。
附图说明
图1为本发明实施例1石墨模具的结构示意图。
图2为本发明实施例1焊接腔室的结构示意图。
附图中的标记如下：1-石墨模具、1.1-模具主体、1.2-试样腔、1.3-盖体、1.4-盖体外螺纹、1.5-主体内螺纹、1.6-通气孔、1.7-观察口；2-焊接腔室、2.1-升温装置、2.2-进气口、2.3-抽气口、2.4-观察窗。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置、方法及其应用，所述方法保证了焊接过程在高真空，有保护性气氛的环境以及适当的压力、温度下进行，显著提高了硬质合金与CVD金刚石焊接的质量与连接处的稳定性，提高了的焊接的效率；克服了传统方法焊接时大气中有害气体对焊接界面性能的影响以及定位不准、焊接质量差等缺陷。
为了解决上述缺陷，本发明实施例的主要思路是：
本发明实施例用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置，所述装置包括：
一石墨模具，所述石墨模具包括容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔以及与所述试样腔配合的盖体；根据待焊接的CVD金刚石和硬质合金大小制备相应尺寸的石墨模具，石墨模具试样腔的尺寸、形状与硬质合金的相一致，试样腔的深度略微高出硬质合金以确保焊接过程中CVD金刚石与硬质合金不发生相对位移。
一焊接腔室，所述焊接腔室内包括升温装置、进气口及抽气口；所述升温装置与所述石墨模具连接，用于对所述石墨模具加热；所述进气口与保护气体进入装置连接，用于向所述焊接腔室内通入保护气体；所述抽气口与抽真空装置连接，用于对所述焊接腔室进行抽真空。
本发明实施例焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，所述方法包括：
提供一石墨模具，所述石墨模具包括容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔以及与所述试样腔配合的盖体；
将所述硬质合金放入所述石墨模具的试样腔中，所述CVD金刚石叠放在所述硬质合金表面，所述CVD金刚石朝向所述硬质合金一侧的表面均匀涂有焊料；
将所述石墨模具的盖体朝所述CVD金刚石与硬质合金的方向拧入，使硬质合金、CVD金刚石与焊料充分接触；
提供一焊接腔室，所述焊接腔室内包括升温装置、进气口及抽气口；
将所述石墨模具放入焊接腔室内，所述升温装置对所述石墨模具加热；通过所述抽气口对所述焊接腔室进行抽真空至≤10Pa，通过所述进气口向所述焊接腔室内通入保护气体，控制升温装置的温度使石墨模具温度升高并恒温；
在真空状态下，控制升温装置的温度来冷却所述石墨模具，去真空后取出石墨模具，打开石墨模具取出焊接完成的CVD金刚石与硬质合金结合件。
在所述硬质合金放入所述石墨模具的试样腔步骤之前，所述方法还包括：将待焊接的CVD金刚石与硬质合金进行清洗，包括氢等离子体清洗及去离子水超声清洗，并干燥后待用，以除去杂质等影响结合力的其他因素。
本发明实施例制备得到的焊接后的CVD金刚石与硬质合金结合件实现了高质量的连接，可以用来制备钻头齿。
为了让本发明之上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数实施例，来说明本发明所述之用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置、方法及其应用。
实施例1
如图1和2所示，本发明实施例1用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置，所述装置包括：
一石墨模具1，所述石墨模具1包括模具主体1.1、容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔1.2以及与所述试样腔配合的盖体1.3；还包括盖体外螺纹1.4、主体内螺纹1.5及通气孔1.6；通气孔1.6的目的是为了在抽真空室有利于将硬质合金和金刚石处的气体抽走，另外通保护气时更有利于气氛保护。
一焊接腔室2，所述焊接腔室2内包括升温装置2.1、进气口2.2及抽气口2.3；所述升温装置2.1与所述石墨模具主体1.1连接，用于对所述石墨模具加热；所述进气口2.2与保护气体进入装置(未示意出)连接，用于向所述焊接腔室内通入保护气体；所述抽气口2.3与抽真空装置(未示意出)连接，用于对所述焊接腔室进行抽真空。所述升温装置2.1为感应线圈，其设有外部的电源开关。
本发明实施例1用于焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，所述方法包括：
CVD金刚石圆片厚度为2mm，直径12mm；硬质合金圆片厚度为5mm，直径12mm；
(1)首先根据待焊接的CVD金刚石和硬质合金大小制备相应尺寸的石墨模具，石墨模具主体高35mm，外围直径20mm，试样腔直径12mm，深度6mm模具壁厚4mm，观察口直径3mm，通气孔直径2mm；
(2)将CVD金刚石焊接面进行氢等离子体清洗40min，然后用去离子水对CVD金刚石和硬质合金进行超声清洗去除表面浮尘，干燥后待用；
(3)将硬质合金放入石墨模具的试样腔中，在CVD金刚石的焊接面均匀涂上Ag-Cu-Ti焊料并将有焊料的面朝下对齐叠放在硬质合金上，将石墨模具的盖体顺着螺纹拧入模具主体并拧紧，使硬质合金、CVD金刚石与焊料充分接触；
(4)将含有试样的石墨模具放入感应线圈中央，并固定好位置，对焊接腔室抽本底真空，抽至10Pa后，向焊接腔室中通入氢气，氢气流量800毫升/分钟，打开高频感应线圈加热电源，使石墨模具温度升高(温度上升时间30秒)到所需温度并保温2分钟，利用红外测温仪监测试样温度为800℃；
(5)逐渐减小线圈电流，真空冷却(冷却时间120秒)，去真空并取出石墨模具，打开石墨模具取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成。
实施例2
如图1和2所示，本发明实施例2用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置，所述装置包括：
一石墨模具1，所述石墨模具1包括模具主体1.1、容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔1.2以及与所述试样腔配合的盖体1.3；还包括盖体外螺纹1.4、主体内螺纹1.5、通气孔1.6及观察口1.7；
一焊接腔室2，所述焊接腔室2内包括升温装置2.1、进气口2.2及抽气口2.3；所述升温装置2.1与所述石墨模具主体1.1连接，用于对所述石墨模具加热；所述进气口2.2与保护气体进入装置(未示意出)连接，用于向所述焊接腔室内通入保护气体；所述抽气口2.3与抽真空装置(未示意出)连接，用于对所述焊接腔室进行抽真空。所述升温装置2.1为感应线圈，其设有外部的电源开关。还包括焊接腔室上部的观察窗2.4。
本发明实施例2用于焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，所述方法包括：
CVD金刚石圆片厚度为5mm，直径12mm；硬质合金圆片厚度为5mm，直径12mm；
(1)首先根据待焊接的CVD金刚石和硬质合金大小制备相应尺寸的石墨模具，模具主体高37mm，外围直径20mm，试样腔直径12mm，深度7mm；模具壁厚4mm，观察口直径3mm，通气孔直径2mm；
(2)将CVD金刚石焊接面进行氢等离子体清洗60min，然后用去离子水对CVD金刚石和硬质合金进行超声清洗去除表面浮尘，干燥后待用；
(3)将硬质合金放入石墨模具的试样腔中，在CVD金刚石的焊接面均匀涂上Ag-Cu-Ti焊料并将有焊料的面朝下对齐叠放在硬质合金上，将石墨模具的盖体顺着螺纹拧入模具主体并拧紧，使硬质合金、CVD金刚石与焊料充分接触；
(4)将含有试样的石墨模具放入感应线圈中央，并固定好位置，对焊接腔抽本底真空，抽至10Pa后，向焊接腔室中通入氩气，氩气流量700毫升/分钟，打开高频感应加热电源，使石墨模具温度升高(温度上升时间40秒)到所需温度并保温3分钟，通过观察窗利用红外测温仪监测试样温度为820℃；
(5)逐渐减小线圈电流，真空冷却(冷却时间130秒)，去真空并取出石墨模具，打开石墨模具取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成。
实施例3
如图1和2所示，本发明实施例3用于焊接CVD金刚石与硬质合金的装置与实施例2类似。
本发明实施例3用于焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，所述方法包括：
CVD金刚石圆片厚度为4mm，直径12mm；硬质合金圆片厚度为6mm，直径12mm；
(1)首先根据待焊接的CVD金刚石和硬质合金大小制备相应尺寸的石墨模具，模具主体高38mm，外围直径20mm，试样腔直径12mm，深度8mm，模具壁厚4mm，观察口直径3mm，通气孔直径2mm；
(2)将CVD金刚石焊接面进行氢等离子体清洗100min，然后用去离子水对CVD金刚石和硬质合金进行超声清洗去除表面浮尘，干燥后待用；
(3)将硬质合金放入石墨模具的试样腔中，在CVD金刚石的焊接面均匀涂上Cu-Sn-Ti焊料并将有焊料的面朝下对齐叠放在硬质合金上，将石墨模具的盖体顺着螺纹拧入模具主体并拧紧，使硬质合金、CVD金刚石与焊料充分接触；
(4)将含有试样的石墨模具放入感应线圈中央，并固定好位置，对焊接腔室抽本底真空，抽至10Pa后，向焊接腔室中通入氩气，氩气流量700毫升/分钟，打开高频感应加热电源，使石墨模具温度升高(温度上升时间60秒)到所需温度并保温3分钟，通过观察窗利用红外测温仪监测试样温度为850℃；
(5)逐渐减小线圈电流，真空冷却(冷却时间180秒)，去真空并取出石墨模具，打开石墨模具取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成；
利用电子万能实验机进行焊接接头剪切实验测试。本发明实施例1-3的焊接性能如表1所示，本发明实施例1-3焊接效率如表2所示，表中数据为三个试验的结果的平均值。
表1焊接接头的性能比较
表2焊接效率对比(公时单位，分钟)
表1说明本发明实施例1-3的方法显著提高了CVD金刚石与金属焊接头的力学性能，表2说明本发明实施例1-3方法对CVD金刚石与金属焊接的效率有显著提高。
另外，本发明各原料、尺寸的上下限、区间取值，以及工艺参数的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一举例。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
(1)本发明通过设置用于容纳CVD金刚石与硬质合金的石墨模具以及具有升温装置、进气口及抽气口的焊接腔室，保证了CVD金刚石与硬质合金的焊接过程在高真空，有保护性气氛的环境中进行，避免了大气中有害气体对焊接界面性能的影响，实现了高质量的焊接。
(2)本发明将焊接试样(CVD金刚石与硬质合金)固定在带有通气孔的石墨模具中，解决了焊接过程中CVD金刚石与硬质合金的定位问题，同时，石墨模具在焊接过程中对焊接试件提供持续稳定的压力，防止焊接过程中焊料聚集，焊缝变形，有效地提高了焊接界面综合性能，本发明显著提高焊接质量与稳定性，提高CVD金刚石与金属的焊接效率。而传统方法例如真空烧结炉升温缓慢，在升温过程中焊料会聚集堆积在一起，无法平铺在金刚石与金属的交界处，导致焊缝组织变形和焊缝粗大，此外，升温过慢会导致焊料挥发形成气孔，影响焊接的质量。
(3)本发明可通过测温装置监测焊接试样的温度，以便控制升温装置来使焊接试样处于适宜的温度，保证焊接质量。另外，在焊接腔室还可设置观察窗，以便观察测温装置和石墨模具等的状态。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：所述方法包括：
提供一石墨模具，所述石墨模具包括容纳CVD金刚石与硬质合金的试样腔以及与所述试样腔配合的盖体；
将所述硬质合金放入所述石墨模具的试样腔中，所述CVD金刚石叠放在所述硬质合金表面，所述CVD金刚石朝向所述硬质合金一侧的表面涂有焊料；
将所述石墨模具的盖体朝所述CVD金刚石与硬质合金的方向拧入；
提供一焊接腔室，所述焊接腔室内包括升温装置、进气口及抽气口；
将所述石墨模具放入焊接腔室内，所述升温装置对所述石墨模具加热；通过所述抽气口对所述焊接腔室进行抽真空，通过所述进气口向所述焊接腔室内通入保护气体，控制升温装置的温度使石墨模具温度升高并恒温；
在真空状态下，控制升温装置的温度来冷却所述石墨模具，去真空后取出石墨模具，打开石墨模具取出焊接完成的CVD金刚石与硬质合金结合件。
2.根据权利要求1所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：所述升温装置包括感应线圈，控制所述升温装置的温度包括：增大或减小感应线圈的电流。
3.根据权利要求1所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：所述升温装置对石墨模具加热至所述CVD金刚石与硬质合金的温度为780-850℃，温度上升时间30-60秒；恒温时间为2-3分钟；所述冷却时间为120-180秒；所述焊接腔室内真空大于0且≤10pa。
4.根据权利要求2所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：所述感应线圈加热的频率为100-200kHz。
5.根据权利要求1所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：在所述硬质合金放入所述石墨模具的试样腔步骤之前，所述方法还包括：将待焊接的CVD金刚石与硬质合金进行清洗。
6.根据权利要求5所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：所述清洗包括：将CVD金刚石的焊接面进行氢等离子体清洗，用去离子水对CVD金刚石和硬质合金进行超声清洗去除表面浮尘，干燥。
7.根据权利要求1所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法，其特征在于：所述焊料为Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti；所述保护气体选自氢气或者氩气，气体流量500-1000毫升/分钟。
8.如权利要求1-7任一项所述的焊接CVD金刚石与硬质合金的方法的应用，其特征在于：焊接后的CVD金刚石与硬质合金结合件用于制备钻头齿。
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