CN205216796U - 一种用于合成聚晶复合片的组装件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于合成聚晶复合片的组装件，该组装件包括：两个或多个聚晶复合片合成腔体、套设于所述聚晶复合片合成腔体外侧的通电发热装置、以及套设于所述通电发热装置外侧的密封传压介质。本实用新型提出了一种单平面或多平面发热体的平面加热结构，单次合成中多个聚晶复合片合成腔的温度场一致性好。平面热源对合成腔内产生均匀的平面热辐射，使得复合片聚晶层与硬质合金基体的结合界面及聚晶层的温度梯度小，更利于粘结剂均匀扩散与渗透。本实用新型可以提高聚晶复合材料的产品稳定性，尤其适合直径大于13mm、金刚石微米粒度小于20μm的聚晶复合材料的合成。

Description

一种用于合成聚晶复合片的组装件

技术领域

本实用新型涉及超硬材料制造技术领域，特别涉及一种用于合成聚晶复合片的组装件。

背景技术

聚晶金刚石复合材料既具有金刚石的耐磨性和强度又具有硬质合金基体材料的韧性和可焊接性，是一种优异的切削与耐磨材料，广泛的应用于石油与地质钻探、机械加工刀具、修正工具等领域。

采用静态高温高压法合成聚晶金刚石复合材料，合成温度1450-1500℃，压力在6GPa左右，合成时间一般为几分钟，温度场的均匀性和合理的梯度分布决定着聚晶金刚石复合材料的质量及其稳定性。合成设备多数为六面顶压机，国外有部分使用两面顶压机合成复合片，但这种设备价格高、维修维护困难，国内绝大部分是用六面顶压机高温高压进行合成。其合成块的组装结构、加热方式决定合成腔体内的温度场分布，因此合成腔体的组装结构、材料和加热方式对复合片产品的质量和稳定性有着关键性的影响。据文献资料报道，六面顶压机合成聚晶金刚石复合材料一般采用金刚石合成的相似组装结构，有合成腔外围管壁发热的间接加热方式和复合片直接参与导电的直接加热方式。发热管间接加热方式，由管壁辐射热量使管内腔体升温，在径向方向存在较大的温度梯度，尤其是聚晶复合材料直径尺寸较大的产品，使得聚晶层中心部位与边缘部位烧结程度不一致，一次合成多片聚晶复合片时，质量稳定性不好。直接加热方式则对复合片组装各部件材料的一致性均匀性比较敏感，同样存在合成质量和稳定性较差的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于合成聚晶复合片的组装件，该组装件可以解决现有聚晶金刚石复合材料合成过程中加热不均匀、温度梯度较大而影响产品质量和性能的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于合成聚晶复合片的组装件，包括：两个或多个聚晶复合片合成腔体、套设于所述聚晶复合片合成腔体外侧的通电发热装置、以及套设于所述通电发热装置外侧的密封传压介质；其中：

所述聚晶复合片合成腔体包括：

保温传压介质，为具有圆柱状中空腔的方块(立方体或长方体)形介质；

绝缘屏蔽介质，套设于所述聚晶复合片坯料的周侧和两端；所述保温传压介质的圆柱状中空腔的内壁套设有所述绝缘屏蔽介质；

所述通电发热装置包括：

两片导电片，对称地覆盖于由两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体形成的上下表面；

两个导电钢帽，对称盖设于两片所述导电片的中央；

至少一片发热体，为矩形平板状，竖直地设置于两片所述导电片之间，各个所述发热体的上下两端面分别与两片所述导电片的表面接触且竖直地位于两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体之间和/或两端；

所述密封传压介质，由一个具有方形中空腔的立方体和两个套设于所述立方体的方形中空腔上下两端的具有圆形通孔的方形块(包括立方体块或长方体块)组成；其中，所述通电发热装置套设于所述密封传压介质的立方体的方形中空腔的中间部位；

所述密封传压介质的两个方形块的带有圆形通孔的一面分别盖设于两片所述导电片的表面上且使两个所述导电钢帽分别套设于两个所述密封传压介质的方形块的圆形通孔中，从而将所述密封传压介质的立方体的方形中空腔的两端密封。

上述用于合成聚晶复合片的组装件中，作为一种优选实施方式，所述密封传压介质的材质为叶腊石。

上述用于合成聚晶复合片的组装件中，作为一种优选实施方式，所述导电钢帽由导电钢碗和设置于所述钢碗内的绝缘保温填芯组成；所述导电片的材质为石墨片、钢片、钛片或钼片。

上述用于合成聚晶复合片的组装件中，所述保温传压介质材质为具有传压、保温、绝缘性能的材料；作为一种优选实施方式，所述保温传压介质材质为氧化镁、白云石或氧化锆。

上述用于合成聚晶复合片的组装件中，作为一种优选实施方式，所述绝缘屏蔽介质为杯状或管状、以及片状，优选为盐杯或盐管、盐片，更优选地，所述盐片的材质为氯化钠。

上述用于合成聚晶复合片的组装件中，作为一种优选实施方式，所述发热体的数量为1-5片，所述发热体厚度和材质可以相同也可以不同，材质通常为耐高温高压的高电阻发热材料；优选地，所述发热体的材质为石墨、电热合金等。

上述用于合成聚晶复合片的组装件中，作为一种优选实施方式，所述保温传压介质的具有圆柱形中空腔的端面与所述发热体的板面(表面)接触。

本实用新型产生有益效果是：

1)本实用新型提出了一种平面式加热结构可以通过发热片材质和厚度变化设计合成腔的温度场分布状态，用于聚晶复合材料合成。

2)本实用新型用于聚晶复合材料合成时，平面热源对合成腔体进行平面式热辐射，使得聚晶层和硬质合金基体结合界面温度一致性好，界面组织性能均匀，抗冲击韧性和耐磨性均比现有市面同等产品提高30％以上；多个复合材料合成腔的发热体对称设计可以使得聚晶复合片产品质量的稳定好，产品的合格率提高20％以上。

3)本实用新型可以提高聚晶复合材料的产品质量及稳定性。随着产品直径的扩大和原料粉末粒度的细化，合成腔体温场保持均匀更加困难，本实用新型优势在于减小因合成腔体内尺寸扩大而引起的温度梯度。因此，尤其适合直径不小于13mm(比如直径为14mm、16mm、19mm、22mm、25mm)、原料粉末粒度小于20μm(比如粒度为3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、19μm)的聚晶复合材料的合成。

附图说明

图1为三平面加热方式的聚晶复合片坯料和组装件构成的合成块的剖视图；

图2为三平面加热方式的电路示意图；

图中，1-密封传压介质；2-导电钢帽；3-导电片；4-平面发热体；5-保温传压介质；6-聚晶复合片坯料；7-绝缘屏蔽介质。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1、图2所示的一种用于合成聚晶复合片的组装件，包括：两个或多个聚晶复合片合成腔体、套设于聚晶复合片合成腔体外侧的通电发热装置、以及套设于通电发热装置外侧的密封传压介质。下面一一对其进行说明。

聚晶复合片合成腔体，包括：

保温传压介质5，其为中央具有圆柱状中空腔的方块(立方体或长方体)形介质；材质应为具有传压、保温、绝缘性能的材料；所述保温传压介质5的材质优选为氧化镁、白云石或氧化锆。该保温传压介质5的圆柱状中空腔的大小与外表面包覆有绝缘屏蔽介质7的聚晶复合片坯料的尺寸相匹配，这样，可以保证保温传压介质5的内腔被填充满，避免在使用六面顶压机时受力不均或整个合成块或组装件破裂。

绝缘屏蔽介质7，套设于聚晶复合片坯料的周侧和两端；保温传压介质5的圆柱状中空腔的内壁套设有绝缘屏蔽介质7；绝缘屏蔽介质7的形状为利于套设于聚晶复合片坯料的周侧的杯状或管状、以及利于盖设于聚晶复合片坯料的两端面的片状，优选为盐杯或盐管、盐片，更优选地，所述盐片的材质为氯化钠。保温传压介质5的圆柱状中空腔内套设绝缘屏蔽介质7后的空间即为聚晶复合片坯料的放置空间6，聚晶复合片坯料的放置空间6的尺寸可以通过调整绝缘屏蔽介质7的尺寸来调节。当需要聚晶复合片坯料的放置空间6大些时，可以适当降低绝缘屏蔽介质7的厚度。

两个或多个聚晶复合片合成腔体并排设置，而且保温传压介质5的中空腔均为水平设置，以保证放置于保温传压介质5左右两侧的发热体可以将热量传至位于保温传压介质5的中空腔内的聚晶复合片坯料。即保温传压介质5的具有圆柱形中空腔的端面与发热体4的板面(表面)接触。聚晶复合片合成腔体的个数优选为2-4。

通电发热装置包括：

两片导电片3，对称地覆盖于两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体的上下两端面；即导电片3的尺寸与两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体的上表面或下表面的总尺寸相匹配，导电片3恰好可以覆盖到两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体的上方整个外表面上和下方整个外表面上。导电片3的材质可以为石墨片，或者是石墨片与(钢片、钛片、钼片三者其中之一的组合。本实用新型导电片的设置方式可以减少接触电阻，更加安全的保护钢碗，防止钢碗被烧蚀。

两个导电钢帽2，上下对称盖设于两片导电片3的中央；导电钢帽2由导电钢帽和设置于所述钢帽内的绝缘保温填芯组成；绝缘保温填芯可以是叶腊石或白云石。两个导电钢帽的大小需与方形块密封传压介质的圆形通孔相匹配，以便于将导电钢帽套设于密封传压介质的方形块的圆形通孔内。

至少一片发热体4，为矩形平板状，竖直地设置于两片导电片3之间，各个发热体4的上下两端面分别与两片导电片3的表面接触，以实现导电，且所述发热体(4)竖直地位于两个或多个并排设置的聚晶复合片合成腔体之间和/或两端；发热体4的数量可以根据需要进行调整，优选为1-5片，更优选，当聚晶复合片合成腔体为两个时，发热体4设置于二者之间和两端，以保证合成腔内热量在短时间达到均匀一致，本实用新型在每个聚晶复合片合成腔体的带有中空腔的侧面均设置平板状发热体，可以很好地保证腔室内的温度均匀，由此不必特别限制聚晶复合片坯料中金刚石层或硬质合金层在腔室内的位置，便于合成块的组装。发热体4厚度和材质可以相同也可以不同，通过发热体材质和厚度变化可以设计合成腔的温度场分布状态，材质通常为耐高温高压的高电阻发热材料；优选地，所述发热体的材质为石墨、电热合金等。当聚晶复合片合成腔体为三个时，发热体4设置于每个合成腔体之间和并排设置的三个聚晶复合片合成腔体的两端，位于两端的发热体的上下端面也需要与上下导电片3的表面接触。

密封传压介质1，由一个中央具有方形中空腔的立方体和两个中央具有圆形通孔的方形块组成；其材质优选为叶腊石。其中，由通电发热装置套设于密封传压介质1的立方体的方形中空腔的中部；也就是说，通电发热装置连通被通电发热装置包覆的多个聚晶复合片合成腔体一同套设于密封传压介质1的立方体的方形中空腔的中部。当多个并排设置的聚晶复合片合成腔体的两端均有发热体时，则是位于两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体的两端的发热体4以及两片所述导电片3组成的六面体套设于密封传压介质1的立方体的方形中空腔的中部；当多个并排设置的聚晶复合片合成腔体的两端均没有发热体时，则是由两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体形成的合成腔体排的两端面以及两片导电片3组成的六面体套设于密封传压介质1的立方体的方形中空腔的中部。

密封传压介质1的两个方形块的带有圆形通孔的一面分别盖设于两片导电片3的表面上且使两个导电钢帽2分别套设于两个方形块的圆形通孔中，从而将密封传压介质1的立方体的方形中空腔的两端密封，以形成一个密封的方块形组装件；所述密封传压介质的立方体的方形中空腔的轴线与所述密封传压介质的方形块的圆形通孔的轴线重合。

采用上述用于合成聚晶复合片的组装件合成聚晶复合片的方法包括如下步骤：

步骤一，将杯状或管状绝缘屏蔽介质7套设于准备好的聚晶复合片坯料的外周侧面上，同时将片状绝缘屏蔽介质7覆盖于所述聚晶复合片坯料的两端面，从而得到外部覆盖有绝缘屏蔽介质7的聚晶复合片坯料；

步骤二，将外部覆盖有绝缘屏蔽介质7的聚晶复合片坯料套设至保温传压介质5的圆柱形空腔内，从而得到带有聚晶复合片坯料的聚晶复合片合成腔体；

步骤三，将两个或多个所述聚晶复合片合成腔体水平并排放置于密封传压介质的立方体的方形空腔内，然后在并排设置的两个或多个所述聚晶复合片合成腔之间的空隙和/或在位于两端的所述聚晶复合片合成腔与相应的密封传压介质立方体的方形空腔壁之间的空隙竖直地插入发热体4，从而两个或多个所述聚晶复合片合成腔体以及插入的发热体4在宽度和长度方向上占满所述立方体的方形空腔；

步骤四，分别从所述密封传压介质的立方体的方形空腔的上方和下方将两片所述导电片3套设于所述密封传压介质的立方体的方形空腔内，并分别盖设于并排设置的两个或多个所述聚晶复合片合成腔的上下端面(表面)上；

步骤五，分别从所述密封传压介质的立方体的方形空腔的上方和下方将带有圆形通孔的方形块密封传压介质套设于所述立方体的方形空腔内，并分别盖设于两片导电片3的表面上；之后将两个导电钢帽2分别盖设于小方形块密封传压介质的圆形通孔内，从而形成立方体合成块；

步骤六，将所述立方体合成块置于六面顶压机中，对位于上方的密封传压介质1和导电钢帽2施加压力，在加压的同时对位于上方的导电钢帽2通电流，电流依次经由位于上方的导电钢帽2和导电片3导向发热体4，再经位于下方的导电片3和位于下方的导电钢帽2流出，形成电流通路，由此，发热体对所述聚晶复合片合成腔内的聚晶复合片坯料进行加热，最终得到聚晶复合材料产品。

上述聚晶复合片的合成方法，作为一种优选实施方式，所述步骤二中，施加的压力为5.5～6.5GPa(比如5.6GPa、5.8GPa、6.0GPa、6.2GPa、6.4GPa)，所述加热的温度为1450～1500℃(比如1460℃、1480℃、1490℃)，所述加热的时间为8-20min(比如9min、12min、15min、17min、19min)。

实施例：单次合成圆柱形聚晶金刚石复合片2片。复合片规格为1913型(直径19.05mm，高度13.20mm，金刚石层厚度1.8mm，原料粉末粒度为8-12μm)。

如图1所示，单次合成圆柱形聚晶金刚石复合片2片。聚晶金刚石复合片原料坯外套有盐杯7，将其装于氧化镁材质的保温传压介质5的圆柱型中空腔中并将中空腔填满，组成复合片坯料合成腔体；在该合成块中共使用了3片平板状发热体4，发热体材质为石墨片，厚度为1.5mm，其中1片插入至两个聚晶金刚石复合片合成腔体之间，另外2片分别放置于两个聚晶金刚石复合片合成腔体与密封传压介质的立方体叶腊石方型腔的内壁之间，所述两个聚晶金刚石复合片合成腔体的轴线与立方体叶腊石的方型腔的轴线垂直；两个聚晶金刚石复合片合成腔体的上下两端上均放置与立方体叶腊石的方型腔匹配的方形导电片3，导电钢帽2置于密封传压介质的圆孔叶腊石方形块中组成堵头组件封住立方体方型腔两端形成一块完整的立方体合成块。

将上述合成块置于六面顶压机中，对密封传压介质1和导电钢帽2施加压力，在加压的同时对导电钢帽2通电流，电流由导电钢帽2和导电片3导向发热体4，再经下方导电片3和导电钢帽2流出，形成电流通路(如图2所示)，3个发热体同时加热，使聚晶金刚石复合片原料坯在6Gpa、1500℃的高温高压条件下持续12min，最终合成聚晶金刚石复合片。采用该实施例所制造的聚晶金刚石复合片产品组织结构均匀，产品稳定性好。

该实例得到的产品的耐磨性为1:40万，抗冲击韧性(累计冲击功)600J，热稳定温度为750℃。产品耐磨性测试参照国标GB6407和DTMTC1.4-2010钻探金刚石复合片耐磨性标准；抗冲击韧性测试参照DTMTC1.1-2010钻探用金刚石复合片冲击韧性测定方法；耐热性测试方法:利用高温差示扫描量热(DSC)和热重(TG)曲线分析来确定复合片在空气气氛中的氧化温度。

采用该实施例方法进行100次聚晶金刚石复合片的合成，产品合格率达到90％以上。

综上所述，本实用新型提供的聚晶复合片的合成结构及合成方法中，每个聚晶金刚石复合片腔体周围形成的平面热源使得对复合片界面温度的分布均匀，复合片合成腔内温度梯度较小，能制造出组织结构均匀，产品稳定好聚晶复合片材料。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，包括：两个或多个聚晶复合片合成腔体、套设于所述聚晶复合片合成腔体外侧的通电发热装置、以及套设于所述通电发热装置外侧的密封传压介质；其中：

所述聚晶复合片合成腔体包括：

保温传压介质，为具有圆柱状中空腔的方块形介质；

绝缘屏蔽介质，套设于所述聚晶复合片坯料的周侧和两端；所述保温传压介质的圆柱状中空腔的内壁套设有所述绝缘屏蔽介质；

所述通电发热装置包括：

两片导电片，对称地覆盖于由两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体形成的上下表面；

两个导电钢帽，对称盖设于两片所述导电片的中央；

至少一片发热体，为矩形平板状，竖直地设置于两片所述导电片之间，各个所述发热体的上下两端面分别与两片所述导电片的表面接触且竖直地位于两个或多个并排设置的所述聚晶复合片合成腔体之间和/或两端；

所述密封传压介质，由一个具有方形中空腔的立方体和两个套设于所述立方体的方形中空腔上下两端的具有圆形通孔的方形块组成；其中，所述通电发热装置套设于所述密封传压介质的立方体的方形中空腔的中间部位；

所述密封传压介质的两个方形块的带有圆形通孔的一面分别盖设于两片所述导电片的表面上且使两个所述导电钢帽分别套设于两个所述密封传压介质的方形块的圆形通孔中，从而将所述密封传压介质的立方体的方形中空腔的两端密封。

2.根据权利要求1所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述密封传压介质的材质为叶腊石。

3.根据权利要求1所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述导电钢帽由导电钢碗和设置于所述钢碗内的绝缘保温填芯组成；所述导电片的材质为石墨片、钢片、钛片或钼片。

4.根据权利要求1所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述保温传压介质材质为氧化镁、白云石或氧化锆。

5.根据权利要求1所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述绝缘屏蔽介质为杯状或管状、以及片状。

6.根据权利要求5所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述绝缘屏蔽介质为盐杯或盐管、盐片。

7.根据权利要求6所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述盐片的材质为氯化钠。

8.根据权利要求1所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述发热体的数量为1-5片。

9.根据权利要求8所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述发热体的材质为石墨。

10.根据权利要求1所述用于合成聚晶复合片的组装件，其特征在于，所述保温传压介质的具有圆柱形中空腔的端面与所述发热体的板面接触。