CN112855033A - 聚晶金刚石复合片、其制造方法、pdc轴承组件及切削刀具 - Google Patents

聚晶金刚石复合片、其制造方法、pdc轴承组件及切削刀具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种聚晶金刚石复合片、其制造方法、PDC轴承组件及切削刀具，聚晶金刚石复合片包括合金基体层和金刚石层，金刚石层通过高温烧结与合金基体层结合；聚晶金刚石复合片还包括合金钢层；金刚石层、合金基体层和合金钢层沿第一方向依次设置，合金基体层和合金钢层通过扩散焊相互结合。制造方法包括将金刚石层的粉末原料、合金基体层和合金钢层均置入高温高压设备中进行合成。PDC轴承组包括聚晶金刚石复合片。切削刀具包括聚晶金刚石复合片。合金基体层与合金钢层以扩散焊焊接结合，两个物料层的焊缝的抗剪强度有效提高，三层结构的聚晶金刚石复合片的整体强度提高。另外，无需二次焊接，生产效率提高且避免二次高温损坏金刚石层。

Description

聚晶金刚石复合片、其制造方法、PDC轴承组件及切削刀具
技术领域
本发明涉及超硬复合材料技术领域，具体涉及一种聚晶金刚石复合片、其制造方法、PDC轴承组件及切削刀具。
背景技术
金刚石复合片是将金刚石微粉和硬质合金基体(合金基体层)在高温高压下烧结在一起，金刚石微粉烧结成聚晶金刚层，使复合片具有金刚石的超高硬度和耐磨性。金刚石复合片可应用于各种不同的工作环境，如金刚石复合片可用在PDC钻头和PDC轴承上。
以PDC轴承为例，金刚石复合片需要被安装并焊接到PDC轴承的支撑环上。支撑环上设置有安装位，金刚石复合片置于安装位后，由于支撑环采用钢材制成，硬质合金基体与支撑环之间需要通过添加焊料以钎焊的方式焊接在一起。
现有的另外一种金刚石复合片，为提高其安装能力，金刚石复合片还包括与合金基体层相连的连接层，连接层采用钢材制成，物理特性与支撑环接近，连接层以钎焊的方式通过二次焊接而与合金基体层相互结合。金刚石复合片置于安装位后，可采用熔焊的方式将连接层与支撑环焊接在一起。
现有的聚晶金刚石复合片存在的问题是，若硬质合金基体与支撑环以钎焊焊接，硬质合金基体与支撑环之间的焊缝强度较低，抗冲击性能较差；若在聚晶金刚石复合片设置连接层，由于连接层与硬质合金基体之间钎焊焊接，抗剪强度较低，连接层与硬质合金基底之间的焊缝处容易出现断裂现象。另外，在进行连接层与硬质合金基体的二次高温焊接时，存在损坏金刚石层的可能性，且生产效率降低。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种提高安装强度、提高抗剪强度且提高生产效率的聚晶金刚石复合片。
本发明的第二目的在于提供上述聚晶金刚石复合片的制造方法。
本发明的第三目的在于提供一种安装有上述聚晶金刚石复合片而强度提高的PDC轴承组件。
本发明的第四目的在于提供一种安装有上述聚晶金刚石复合片而强度提高的切削刀具。
本发明第一目的提供的聚晶金刚石复合片包括合金基体层和金刚石层，金刚石层通过高温烧结与合金基体层结合；聚晶金刚石复合片还包括合金钢层；金刚石层、合金基体层和合金钢层沿第一方向依次设置，合金基体层和合金钢层通过扩散焊相互结合。
由上述方案可见，在压机中，在高温高压的条件下，金刚石粉末于合金基体层上的烧结以及合金基体层和合金钢层的扩散焊接能在同一时间段内完成。合金基体层与合金钢层以扩散焊焊接结合，金属原子间相互扩散，两个物料层之间结合力大幅度提高，两个物料层的焊缝的抗剪强度有效提高，从而保证三层结构的聚晶金刚石复合片的整体强度。另外，无需进行二次焊接，生产效率提高，且不会因为二次高温而损坏金刚石层。
进一步的方案是，合金钢层包括基部和连接结构，基部与合金基体层相连，连接结构从基部上背向合金基体层伸出；在第一方向的投影上，连接结构的投影面积小于基部的投影面积。
更进一步的方案是，连接结构为插装柱。
由上可见，对合金钢层进行切削加工可形成连接结构，连接结构可以是插装柱、螺纹柱或者其他适合于卡合安装的结构。以插装柱为例，支撑环上设置台阶通孔，当聚晶金刚石复合片置于该台阶通孔后，插装柱从内径较小的孔段穿出，基部和合金基体层则位于内径较大的孔段中，随后，在插装柱穿出一侧，插装柱与支撑环之间进行熔焊，在合金基体层所在一侧，合金基体层与支撑环之间进行钎焊。聚晶金刚石复合片的相对两侧均与支撑环得到有效焊接，且其中一侧以熔焊方式结合，此设置能有效提高聚晶金刚石复合片与支撑环之间的连接强度，进一步降低断裂甚至脱落的可能性。
本发明第二目的提供的聚晶金刚石复合片的制造方法，制造方法用于制造上述的聚晶金刚石复合片；制造方法包括高温高压步骤，将金刚石层的粉末原料、合金基体层和合金钢层均置入高温高压设备中进行合成。
进一步的方案是，高温高压步骤中，将金刚石层的粉末原料、合金基体层和合金钢层均置入高温高压设备中，以不小于5兆帕的压强以及不低于1000摄氏度的温度进行合成。
由上述方案可见，由于合金基体层与合金钢层之间的扩散焊的第一压强条件比金刚石粉末的烧结的第二压强条件要高，而合金基体层与合金钢层之间的扩散焊与金刚石粉末的烧结在同一时段进行，因此压机内以合金基体层与合金钢层之间的扩散焊的第一压强条件作为设定压强，并根据合金基体层与合金钢层的扩散焊的第一温度条件和金刚石粉末烧结的第二温度条件预设合适的设定温度而进行工序，从而实现金刚石层、合金基体层和合金钢层三者在一次工序中合成一体。此设置能有效提高生产效率，保证合金基体层与合金钢层之间的焊接强度和焊缝处的抗剪强度，还能避免二次高温对金刚石层造成损害。
进一步的方案是，高温高压步骤后，还包括切削加工步骤；切削加工步骤包括：对合金钢层进行切削加工以在合金钢层上形成连接结构。
由上可见，以插装柱为例，在完成聚晶金刚石复合片的合成后，只需在合金钢层进行车削加工即可在合金钢层的中央形成外径较小的插装柱。
本发明第三目的提供的PDC轴承组件包括支撑环和固定在支撑环上的聚晶金刚石复合片；聚晶金刚石复合片采用上述的聚晶金刚石复合片；支撑环上设有安装通孔，安装通孔包括沿其贯穿方向依次设置的第一孔段和第二孔段，第一孔段的内轮廓与基体的外轮廓匹配，第二孔段的内轮廓与连接结构的外轮廓匹配；连接结构位于第二孔段中，基部以及合金基体层位于第一孔段中。
进一步的方案是，安装通孔贯穿于支撑环上相对的第一侧与第二侧之间；在第一侧，连接结构与支撑环熔焊焊接。
更进一步的方案是，在第二侧，合金基体层与支撑环以钎焊焊接。
由上述方案可见，首先，合金基体层与合金钢层以扩散焊焊接，聚晶金刚石复合片自身强度提高；在此前提下，聚晶金刚石复合片的相对两侧均与支撑环得到有效焊接，且其中一侧以熔焊方式结合，此设置能有效提高聚晶金刚石复合片与支撑环之间的连接强度，降低断裂甚至脱落的可能性。
本发明第四目的提供的切削刀具包括聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片采用上述的聚晶金刚石复合片。
附图说明
图1为本发明聚晶金刚石复合片第一实施例切削加工前的示意图。
图2为本发明聚晶金刚石复合片第一实施例切削加工后的示意图。
图3为本发明PDC轴承组件第一实施例中支撑环的局部示意图。
图4为本发明PDC轴承组件第一实施例的示意图。
图5为本发明PDC轴承组件第一实施例进行焊接前的局部示意图。
图6为本发明PDC轴承组件第一实施例进行焊接后的局部示意图。
图7为本发明聚晶金刚石复合片第二实施例的示意图。
图8为本发明聚晶金刚石复合片第三实施例的示意图。
图9为本发明PDC轴承组件第二实施例的结构分解图。
图10为本发明PDC轴承组件第三实施例的结构分解图。
具体实施方式
聚晶金刚石复合片第一实施例
参见图1，在压机中合成而未经切削加工的聚晶金刚石复合片100整体呈圆柱状，聚晶金刚石复合片100包括沿第一方向(图示箭头所指方向)依次结合的金刚石层1、合金基体层2和合金钢层3。金刚石层1由金刚石粉末原料在合金基体层2上高温高压烧结形成，合金基体层2的原材料为碳化钨，合金钢层3采用40CrMoV型号合金钢制成，合金基体层2与合金钢层3之间通过扩散焊的方式焊接。
参见图2，对聚晶金刚石复合片100的合金钢层3进行切削加工后，合金钢层3形成基部31和连接结构32，基部31的外径与合金基体层2的外径保持一致，连接结构32为从基部31上背向合金基体层2沿第一方向伸出的插装柱，连接结构32的外径小于基部31的外径，连接结构32的延伸末端设置有第二倒角321。
结合图1和图2，制造聚晶金刚石复合片100时，通过将金刚石层1的粉末原料、合金基体层2和合金钢层3均放置到压机中并以高温高压条件进行合成，合成过程中完成金刚石层1的烧结，同时完成合金基体层2与合金钢层3的扩散焊接。
制造方法中，首先进行预压步骤，将金刚石粉末原料放置到金属圆杯中，通过压块对金属圆杯内的金刚石粉末原料进行预压，预压次数≥1，优选地，预压次数为2次，预压压强为0.1MPa～1MPa。完成预压后金刚石粉末原料形成工作层预成型体。
随后进行高温高压步骤，将作为粘接剂的钴片、硬质合金基体(合金基体层)和合金钢柱体(合金钢层)放入具有工作层预成型体的金属圆杯中，工作层预成型体、钴片和硬质合金基体和合金钢柱体之间依次抵接。随后将已置工作层预成型体、钴片和硬质合金基体和合金钢柱体的金属圆杯放置到压机内进行高温高压合成。
高温高压步骤中，合成压强为5兆帕以上，合成温度在1000摄氏度以上。由于硬质合金基体(合金基体层)与合金钢柱体(合金钢层)之间的扩散焊的第一压强条件比金刚石粉末的烧结的第二压强条件要高，而硬质合金基体与合金钢柱体之间的扩散焊与金刚石粉末的烧结在同一时段进行，因此压机内以更高的第一压强条件，即以合成压强为5兆帕以上作为设定压强。另外，结合硬质合金基体(合金基体层)与合金钢柱体的扩散焊的第一温度条件和金刚石粉末烧结的第二温度条件预设合适的设定温度而进行工序，从而实现金刚石层1、合金基体层2和合金钢层3三者在一次工序中合成一体。
随后再进行切削加工步骤，对合金钢层3进行切削加工以在合金钢层3上形成基部31、连接结构32以及连接结构32的延伸端部上的第二倒角321。该制造方法能提高聚晶金刚石复合片的生产效率，还能避免二次高温对金刚石层1造成损害，同时保证合金基体层2与合金钢层3之间的焊接强度和焊缝处的抗剪强度，经抗剪强度测试，合金基体层2与合金钢层3之间焊接缝的抗剪强度在170兆帕以上。
再参见图3至图4，本实施例的PDC轴承组件为PDC推力轴承中的组件，PDC轴承组件包括支撑环4和聚晶金刚石复合片100，支撑环4上设置有沿其周向均匀布置、其沿其轴向贯穿于支撑环4上相对的第一侧41与第二侧42之间的多个安装通孔400，安装通孔400为台阶孔，安装通孔400包括沿轴向依次连接的第一孔段401和第二孔段402，第一孔段401的外径大于第二孔段402的外径。另外，在第一侧41，安装通孔400的周边处设置第一倒角403。
参见图2、图3和图5，将聚晶金刚石复合片100安装到安装通孔400后，基部31以及合金基体层2位于第一孔段401中，第一孔段401的内轮廓与基部31以及合金基体层2的外轮廓匹配，连接结构32位于第二孔段402中，第二孔段402的内轮廓与连接结构32的外轮廓匹配。第一倒角403与第二倒角321之间形成熔焊凹槽404。
再结合图6，在第一侧41，连接结构32的延伸端部的外周边与支撑环4上第二孔段402的出口边缘之间进行熔焊焊接。焊缝位于熔焊凹槽404处，连接结构32和支撑环4的熔融态物料309在熔焊凹槽404处融合并在冷却后结合，熔焊凹槽404的设置能避免熔焊工序对PDC轴承组件外轮廓造成影响。在第二侧42，合金基体层2的外周面与支撑环4上第一孔段401的入口边缘之间以钎焊焊接，焊料209将合金基体层2与支撑环4结合。
首先，合金基体层2与合金钢层3以扩散焊焊接，聚晶金刚石复合片1自身强度提高；在此前提下，增设了合金钢层3的聚晶金刚石复合片1的相对两侧均与支撑环4得到有效焊接，且其中一侧以熔焊方式结合，此设置能有效提高聚晶金刚石复合片1与支撑环4之间的连接强度，降低断裂甚至脱落的可能性。
聚晶金刚石复合片第二实施例
参见图7，本实施例中，聚晶金刚石复合片51的合金钢层513中，连接结构514为螺纹柱，连接结构514的外周设置有外螺纹515。对应地，PDC轴承组件中，与聚晶金刚石复合片51配合的支撑环的安装通孔中，内径较小的第二孔段的内壁面上设置与外螺纹515配合的内螺纹。连接结构514位于第二孔段时，外螺纹515与第二孔段内壁面的内螺纹配合，能提高聚晶金刚石复合片51与支撑环的装配强度。
另外，进一步地，在将聚晶金刚石复合片51安装到支撑环后，螺纹柱的延伸末端与支撑环上第二孔段的出口边缘之间还进行熔焊；再进一步地，合金基体层与支撑环之间还进行钎焊。
聚晶金刚石复合片第三实施例
参见图8，本实施例中，聚晶金刚石复合片52的合金钢层523包括两个连接结构524，连接结构524为插装柱。对应地，支撑环上设置的安装通孔包括第一孔段和两个第二孔段。两个第二孔段均在贯穿方向上与第一孔段连通，且两个第二孔段在垂直于贯穿方向的方向上相邻设置。
在其他实施例中，连接结构还可以是圆柱外的其他凸起结构，如立方柱的凸起结构。
在其他实施例中，连接结构的数量为三个或以上。
PDC轴承组件第二实施例
参见图9，本发明提供的PDC轴承组件还能作为PDC径向轴承的组件，支撑环81为PDC径向轴承的外支撑环，支撑环81上设置有沿其径向贯通的安装通孔810，聚晶金刚石复合片71从支撑环81的内周插装到安装通孔810内，聚晶金刚石复合片71与支撑环81的外周面之间以熔焊的方式焊接。另外，安装在外支撑环上的聚晶金刚石复合片71的金刚石层的表面710设置为内凹弧面。
PDC轴承组件第三实施例
参见图10，本发明提供的PDC轴承组件还能作为PDC径向轴承的组件，支撑环82为PDC径向轴承的内支撑环，支撑环82上设置有沿其径向贯通的安装通孔820，聚晶金刚石复合片72从支撑环82的外周插装到安装通孔820内，聚晶金刚石复合片72与支撑环82的外周面之间以熔焊的方式焊接。另外，安装在内支撑环上的聚晶金刚石复合片72的金刚石层的表面720设置为外凸弧面。
另外，本发明提供的聚晶金刚石复合片还能应用在如钻头的切削刀具上，本发明还请求保护包含本发明的聚晶金刚石复合片的磨削刀具。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.聚晶金刚石复合片，包括合金基体层和金刚石层，所述金刚石层通过高温烧结与所述合金基体层结合；
其特征在于：
所述聚晶金刚石复合片还包括合金钢层；
所述金刚石层、所述合金基体层和所述合金钢层沿第一方向依次设置，所述合金基体层和所述合金钢层通过扩散焊相互结合。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：
所述合金钢层包括基部和连接结构，所述基部与所述合金基体层相连，所述连接结构从所述基部上背向所述合金基体层伸出；
在所述第一方向的投影上，所述连接结构的投影面积小于所述基部的投影面积。
3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合片，其特征在于：
所述连接结构为插装柱。
4.聚晶金刚石复合片的制造方法，其特征在于：
所述制造方法用于制造上述权利要求1至3任一项所述的聚晶金刚石复合片；
所述制造方法包括：
高温高压步骤，将所述金刚石层的粉末原料、所述合金基体层和所述合金钢层均置入高温高压设备中进行合成。
5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片的制造方法，其特征在于：
高温高压步骤，将所述金刚石层的粉末原料、所述合金基体层和所述合金钢层均置入高温高压设备中，以不小于5兆帕的压强以及不低于1000摄氏度的温度进行合成。
6.根据权利要求4或5所述的聚晶金刚石复合片的制造方法，其特征在于：
所述高温高压步骤后，还包括切削加工步骤；
所述切削加工步骤包括：对所述合金钢层进行切削加工以在所述合金钢层上形成连接结构。
7.PDC轴承组件，包括支撑环和固定在所述支撑环上的聚晶金刚石复合片；
其特征在于：
所述聚晶金刚石复合片采用上述权利要求2或3所述的聚晶金刚石复合片；
所述支撑环上设有安装通孔，所述安装通孔包括沿其贯穿方向依次设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段的内轮廓与所述基体的外轮廓匹配，所述第二孔段的内轮廓与所述连接结构的外轮廓匹配；
所述连接结构位于所述第二孔段中，所述基部以及所述合金基体层位于所述第一孔段中。
8.根据权利要求7所述的PDC轴承组件，其特征在于：
所述安装通孔贯穿于所述支撑环上相对的第一侧与第二侧之间；
在所述第一侧，所述连接结构与所述支撑环熔焊焊接。
9.根据权利要求8所述的PDC轴承组件，其特征在于：
在所述第二侧，所述合金基体层与所述支撑环以钎焊焊接。
10.切削刀具，包括聚晶金刚石复合片，其特征在于：
所述聚晶金刚石复合片采用上述权利要求1至3任一项所述的聚晶金刚石复合片。
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