CN109175563A - 一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块及其粘结方法 - Google Patents

一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块及其粘结方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及硬质合金材料制造技术领域，公开了一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块及其粘结方法，所述硬质合金条/块包括本体及与本体一体成型的多个支撑柱，多个所述支撑柱设置于硬质合金条/块与钢基体的接触面上；所述支撑柱的高度为0.2~0.5 mm。本发明开创性地在现有的硬质合金条/块上设计和加工出多个支撑柱作为缓冲层，以增加焊接面积和焊接强度，并适当增加钎焊层的厚度，让硬质合金条/块更好的释放和缓解残余应力，同时还能保证钎焊层厚度的均匀，增加钎焊料在熔融状态下的流动性，减少气孔，脱焊的现象，提高焊接强度。

Description

一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块及其粘结 方法
技术领域
本发明涉及硬质合金材料制造技术领域，更具体地，涉及一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块及其粘结方法。
背景技术
开采钻具或螺杆钻具是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具，在钻探领域发挥重要作用。扶正器与TC轴承(径向轴承) 是钻具的重要部件，例如TC轴承，其在螺杆钻具中承受钻头及传动轴转动所产生的侧向力，TC径向轴承是影响钻杆钻具的使用寿命的关键部件。
扶正器与TC轴承表面需要焊接或烧结数量很多的硬质合金条/块，以提高 TC轴承的耐磨性。目前，硬质合金条/块与钢的钎焊，依然是将硬质合金条/块直接放置在金属表面，两个平面之间进行焊接。在TC轴承和扶正器钎焊工艺中，硬质合金条/块与合金钢基体焊接接触面也是各自的焊接平面接触。由于两平面之间的间隙很小，使得钎焊层厚薄不均匀，有的地方钎焊层漏焊，且产生焊接气孔较多，更有甚者钎焊料没有填充到位，造成局部脱焊；再者是由于硬质合金与合金钢的热涨系数的差距，焊接制品产生很高的残余应力，硬质合金条/块越长， WC晶粒度越细，产生的残余应力越大，造成硬质合金条/块在中间的位置产生裂纹，造成制品报废。
发明内容
针对现有硬质合金条/块的技术不足，本发明的目的在于提供一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块，在该硬质合金条/块上设计和加工出支撑柱作为缓冲层，以增加焊接面积和焊接强度，并适当增加钎焊层的厚度，让硬质合金条/块更好的释放和缓解残余应力。
本发明的另一目的在于提供一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块的粘结方法，采用该粘结方法得到的硬质合金件焊接层剪切强度高，不会出现裂纹的现象。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块，所述硬质合金条/块包括本体及与本体一体成型的多个支撑柱，所述支撑柱设置于硬质合金条/块与钢基体的接触面上；所述支撑柱的高度为0.2～0.5mm。
本发明在保证焊接强度的条件下，在硬质合金条/块焊接面上设置多个支撑柱作为缓冲层，不但能够增加焊接面积和焊接强度，还能保证钎焊层厚度的均匀，增加钎焊料在熔融状态下的流动性，减少气孔，脱焊的现象，提高焊接强度。
进一步地，所述支撑柱的形状为锥球形、半圆柱形、半球形、长条形、楔形或十字形中任意一种。
为了有效控制支撑柱与钢基体接触面积，有利于熔融状态下的钎焊料的流动，进一步地，所述支撑柱的形状为锥球形，所述支撑柱包括支撑部和端部，所述支撑部为圆锥形，所述端部为半球形。
进一步地，所述硬质合金条/块为长条形状。
更进一步地，所述硬质合金条/块上设置有至少两排支撑柱，每一排所述支撑柱的数量根据硬质合金条/块焊接面的宽度确定。
为了减小硬质合金制品的残余应力，更进一步地，所述相邻两排支撑柱的中心距离为8～10mm。
进一步地，所述硬质合金条/块为圆片形或正六边形。
更进一步地，根据所述硬质合金条/块的尺寸大小在其同一圆周上均匀设置有多个支撑柱。
一种上述硬质合金条/块的粘结方法，包括单面粘结方法和双面粘结方法。
进一步地，所述单面粘结方法包括以下步骤：
S1.用打孔的胶带粘接硬质合金条/块，使硬质合金条/块与胶带粘接牢固；
S2.按规定的尺寸、间隔、排列顺序依次粘结多个硬质合金条/块，形成硬质合金粘贴片；
S3.采用点焊的方法，将硬质合金条/块固定，经机械加工后成为成品；
其中，S1所述胶带为单面胶带，胶带有胶液层的一面粘结硬质合金条/块不带支撑柱的一面，胶带上所述孔的大小小于硬质合金条/块的宽度和直径，所述支撑柱的高度为0.2～0.3mm；S3所述焊接时间为10～20min。
进一步地，所述双面粘结方法包括以下步骤：
Y1.用胶带粘接硬质合金条/块，使硬质合金条/块与胶带粘接牢固；
Y2.按规定的尺寸、间隔、排列顺序依次粘结多个硬质合金条/块，形成硬质合金粘贴片；
Y3.采用浸渍烧结的方法，将硬质合金条/块固定，经机械加工后成为成品；
其中，Y1所述胶带为双面胶带，胶带的一面粘结硬质合金条/块带支撑柱的一面，另一面粘结合金钢基体或覆膜砂基体，所述支撑柱的高度为0.3～0.5mm； Y3所述浸渍烧结在马弗炉或台车炉中进行，所述烧结时间为60～90min。
本发明根据不同的粘结方法来设置支撑柱的高度，由于单面粘结方法中焊接时间短，如果支撑柱高度过大将导致缓冲层太厚，使得合金、钢基体和钎焊料等扩散不完整、不充分，冶金结合程度差，最终导致焊接强度低；而采用双面粘结方法时烧结时间在60min以上，合金、钎焊料和钢基体有充分的扩散时间，缓冲层支撑柱的高度较大。因此，单面烧结方法中所述支撑柱的高度为0.2～0.3mm；双面烧结方法中所述支撑柱的高度为0.3～0.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明开创性地在现有的硬质合金条/块上设计和加工出多个支撑柱作为缓冲层，以增加焊接面积和焊接强度，并适当增加钎焊层的厚度，让硬质合金条/ 块更好的释放和缓解残余应力，同时还能保证钎焊层厚度的均匀，增加钎焊料在熔融状态下的流动性，减少气孔，脱焊的现象，提高焊接强度。
本发明提供的硬质合金条/块可以应用在螺杆钻具、钻杆和钻采工具的各种大中型扶正器，螺杆钻具上的TC轴承及各种加硬面的加硬的场合。
附图说明
图1为实施例1中的长条形硬质合金条结构示意图；
图2为实施例1中长条形硬质合金条粘结钢基体示意图；
图3为实施例2中圆片形硬质合金条粘结钢基体示意图；
图4为实施例3中正六边形硬质合金条粘结钢基体示意图；
其中，1为硬质合金条/块本体，2为支撑柱，21为支撑部，22为端部。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块，硬质合金条/ 块为长条形，本实施例提供的长条形硬质合金条可以应用于螺杆钻具、钻杆和钻采工具的各种大中型扶正器，螺杆钻具上的TC轴承及各种加硬面的加硬的场合。
硬质合金条/块包括本体1及与本体1一体成型的多个支撑柱2，多个支撑柱 2设置于硬质合金条/块与钢基体的接触面上，支撑柱2的形状可以为锥球形、半圆柱形、半球形、长条形、楔形或十字形中任意一种，为了有效减小支撑柱2与钢基体的接触面积，有利于熔融状态下的钎焊料的流动，本实施例优选支撑柱2 的形状为锥球形，支撑柱2包括支撑部21和端部22，其中支撑部21为锥形，端部22为半球形，端部22与钢基体直接接触。
硬质合金条/块上设置有至少两排支撑柱2，每一排支撑柱2的数量可以根据硬质合金条/块焊接面的宽度确定，根据本实施例提供的长条形硬质合金条焊接面的宽度见表1，根据表1中应用于TC轴承和扶正器合金件的长条形硬质合金条的尺寸，本实施例长条形硬质合金条上的每一排支撑柱2数量可以设置为3个；为了减小硬质合金制品的残余应力，相邻两排支撑柱2的中心距离为8～10mm。
上述硬质合金条/块可以根据需要采用不同的粘结方法，不同的粘结方法支撑柱的高度不同。本发明硬质合金条/块的粘结方法包括单面粘结方法和双面粘结方法，其中，单面粘结方法采用点焊、氧-乙炔喷焊、堆焊工艺，可应用于TC轴承和扶正器；双面粘结方法采用浸渍烧结工艺，可应用于TC轴承。
(1)上述长条形硬质合金条的单面粘结方法包括以下步骤：
S1.用打孔的单面胶带粘接长条形硬质合金条，胶带有胶液层的一面粘结硬质合金条不带支撑柱的一面，使硬质合金条/块与胶带粘接牢固，其中孔的大小小于长条形硬质合金条的宽度和直径，孔的中心就是长条形硬质合金条的中心，对中粘结；
S2.根据TC轴承和扶正器的规格，按规定的尺寸、间隔、排列顺序依次粘结多个硬质合金条/块，形成硬质合金粘贴片；
其中，根据TC轴承的规格，硬质合金粘贴片的尺寸可以为(200～800)×(90～300)mm，硬质合金条/块之间的间隔可以为1.5～3.0mm；根据扶正器的规格，硬质合金粘贴片的尺寸可以为(150～600)×(40～150)mm，硬质合金条/ 块的间隔可以为1.5～5.0mm，硬质合金粘贴片的尺寸和硬质合金条/块的间隔只需在上述范围内即可达到要求；
S3.点焊对准孔内的长条形硬质合金条进行焊接固定，然后采用氧-乙炔气体的喷焊打底层合金粉进一步固定硬质合金条，最后进行工作硬面粉堆焊，将硬质合金条之间的缝隙填满、复融，经机械加工后得到成品；
其中，上述单面粘结方法中支撑柱的高度为0.2～0.3mm，优选为0.3mm； S3中焊接时间为10～20min以下，本实施例的焊接时间优选为20min。
(2)上述长条形硬质合金条的双面粘结方法包括以下步骤：
Y1.用双面胶带硬质合金条/块，其中，胶带的一面粘结长条形硬质合金条带支撑柱的一面，另一面粘结合金钢基体或覆膜砂基体，使长条形硬质合金条与胶带粘接牢固；
Y2.按规定的尺寸、间隔、排列顺序依次粘结多个长条形硬质合金条，形成硬质合金粘贴片；
Y3.在马弗炉或台车炉中进行浸渍烧结，将硬质合金条固定，经机械加工后成为成品；
其中，上述双面粘结方法中支撑柱的高度为0.3～0.5mm，支撑柱的高度优选为0.5mm；Y3中烧结时间为60min及以上，本实施例的浸渍烧结时间优选为 60min。
表1
实施例2
本实施例也提供一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块，与实施例1 的不同之处在于，本实施例的硬质合金条/块为圆片形，根据本实施例的硬质合金条/块的形状，可以根据硬质合金条/块的尺寸，在其同一圆周上均匀设置多个支撑柱，本实施例中的圆片形硬质合金块的尺寸大小见表2，根据表2中应用于 TC轴承和扶正器合金件的圆片形硬质合金块的尺寸大小，可以在本实施例提供的圆片形硬质合金块同一圆周上均匀设置至少6个支撑柱，支撑柱数量优选为6 个；将支撑柱均匀分布于圆片形硬质合金块的同一圆周上，有利于将合金制品残余应力分布均匀，增强焊接强度。
分别参照实施例1的单面粘结方法、双面粘结方法对圆片形硬质合金块进行粘结，本实施例的圆片形硬质合金块可以应用于TC轴承或扶正器，粘结过程中的具体工艺参数及用于TC轴承或扶正器的圆片形硬质合金块尺寸见表2。
表2
实施例3
本实施例也提供一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块，与实施例1 的不同之处在于，本实施例的硬质合金条/块为正六边形，根据本实施例的硬质合金条/块的形状，可以根据硬质合金条/块的尺寸，在其同一圆周上均匀设置多个支撑柱，本实施例中的正六边形硬质合金块的尺寸大小见表3，根据表3中应用于TC轴承和扶正器合金件的硬质合金块的尺寸大小，可以在本实施例提供的正六边形硬质合金块同一圆周上均匀设置至少6个支撑柱，支撑柱数量优选为6 个；将支撑柱均匀分布于正六边形硬质合金块的同一圆周上，有利于将合金制品残余应力分布均匀，增强焊接强度。
分别参照实施例1的单面粘结方法、双面粘结方法对正六边形硬质合金块进行粘结，本实施例的正六边形硬质合金块可以应用于TC轴承或扶正器，粘结过程中的具体工艺参数及用于TC轴承或扶正器的正六边形硬质合金块的尺寸见表 3。
表3
本发明提供的用于TC轴承或扶正器的三种形状硬质合金条/块的尺寸除了可以采用上述表1～3中所提供的尺寸外，还可以根据需要进行定制。
本发明开创性地在现有的硬质合金条/块上设计和加工出多个支撑柱作为缓冲层，以增加焊接面积和焊接强度，并适当增加钎焊层的厚度，让硬质合金条/ 块更好的释放和缓解残余应力，同时还能保证钎焊层厚度的均匀，增加钎焊料在熔融状态下的流动性，减少气孔，脱焊的现象，提高焊接强度。
采用本发明提供的粘结方法得到的硬质合金制品剪切强度较高，不会发生硬质合金件裂纹现象；且双面粘结方法中不需要在双面胶带上打孔，可以直接将 TC轴承内外模套烧结组件放在马弗炉或台车炉中进行浸渍烧结，一次可以同时烧结10～60个或更多TC轴承，采用该种方法生产TC轴承，具有效率高、成本低等特点，适合大批量生产TC轴承，具有推广意义。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于硬质合金硬面加工的硬质合金条/块，其特征在于，所述硬质合金条/块包括本体及与本体一体成型的多个支撑柱，多个所述支撑柱设置于硬质合金条/块与钢基体的接触面上；所述支撑柱的高度为0.2~0.5 mm。
2.根据权利要求1所述硬质合金条/块，其特征在于，所述支撑柱的形状为锥球形、半圆柱形、半球形、长条形、楔形或十字形中任意一种。
3.根据权利要求2所述硬质合金条/块，其特征在于，所述支撑柱为锥球形，所述支撑柱包括支撑部和端部，所述支撑部为锥形，所述端部为半球形。
4.根据权利要求1所述硬质合金条/块，其特征在于，所述硬质合金条/块为长条形状。
5.根据权利要求4所述硬质合金条/块，其特征在于，所述硬质合金条/块上设置有至少两排支撑柱，每一排所述支撑柱的数量根据硬质合金条/块焊接面的宽度确定，所述相邻两排支撑柱的中心距离为8~10 mm。
6.根据权利要求1所述硬质合金条/块，其特征在于，所述硬质合金条/块为圆片形或正六边形。
7.根据权利要求6所述硬质合金条/块，其特征在于，根据所述硬质合金条/块的尺寸大小在其同一圆周上均匀设置有多个支撑柱。
8.一种如权利要求1~7任一项所述硬质合金条/块的粘结方法，其特征在于，所述粘结方法包括单面粘结方法和双面粘结方法。
9.根据权利要求8所述硬质合金条/块的粘结方法，其特征在于，所述单面粘结方法包括以下步骤：
S1.用打孔的胶带粘接硬质合金条/块，使硬质合金条/块与胶带粘接牢固；
S2.按规定的尺寸、间隔、排列顺序依次粘结多个硬质合金条/块，形成硬质合金粘贴片；
S3.依次经过点焊、喷焊和堆焊等焊接工艺后，将硬质合金条/块固定，经机械加工后成为成品；
其中，S1所述胶带为单面胶带，胶带有胶液层的一面粘结硬质合金条/块不带支撑柱的一面，所述孔的大小小于硬质合金条/块的宽度和直径，所述支撑柱的高度为0.2~0.3 mm；S3所述焊接时间为10~20 min。
10.根据权利要求8所述硬质合金条/块的粘结方法，其特征在于，所述双面粘结方法包括以下步骤：
Y1.用胶带粘接硬质合金条/块，使硬质合金条/块与胶带粘接牢固；
Y2.按规定的尺寸、间隔、排列顺序依次粘结多个硬质合金条/块，形成硬质合金粘贴片；
Y3.采用浸渍烧结的方法，将硬质合金条/块固定，经机械加工后成为成品；
其中，Y1所述胶带为双面胶带，胶带的一面粘结硬质合金条/块带支撑柱的一面，另一面粘结合金钢基体或覆膜砂基体，所述支撑柱的高度为0.3~0.5 mm；Y3所述浸渍烧结在马弗炉或台车炉中进行，所述烧结时间为60~90 min。
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