CN220699295U - 一种金刚石复合片及微钻刀具装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种金刚石复合片及微钻刀具装置，金刚石复合片包括依次层叠设置的基体层、过渡层及金刚层；其中，所述基体层的热膨胀系数高于所述过渡层及金刚层的热膨胀系数，且所述过渡层的热膨胀系数与所述金刚层的热膨胀系数相匹配，所述基体层的抗弯韧性在3.5MPa‑4.3MPa范围内。基体层与金刚层之间通过过渡层两侧进行连接，且基体层热膨胀系数大于过渡层和金刚层，过渡层又与金刚层的热膨胀系数相匹配，配合基体层抗弯韧性大于3.5MPa，从而该金刚石复合片能够减少在微钻热效应对其的影响，并能够提高抵抗其弯曲和断裂的能力，提高了加工微钻时复合片的抗弯强度，增强了复合片的耐久度。
Description
技术领域
本实用新型涉及微钻刀具装置领域，尤其涉及一种金刚石复合片及微钻刀具装置。
背景技术
在现有复合片加工刀具的设计方案中，普通金刚石复合片材料在加工微钻刀具时，由于普通金刚石复合片的抗弯强度有待提高，在加工微钻时的硬质合金抗弯强度不足，界面抗腐蚀、抗裂韧性较差容易在界面处断裂，进而导致加工微钻时复合片的使用寿命有待增强。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
鉴于上述问题，本申请实施例提供一种金刚石复合片及微钻刀具装置，能够提高加工微钻时复合片的抗弯强度，以增强复合片的耐久度。
本实用新型为解决上述技术问题提供如下技术方案：
本申请实施例第一方面提供一种金刚石复合片，其中，包括依次层叠设置的基体层、过渡层及金刚层；
其中，所述基体层的热膨胀系数高于所述过渡层及金刚层的热膨胀系数，且所述过渡层的热膨胀系数与所述金刚层的热膨胀系数相匹配，所述基体层的抗弯韧性在3.5MPa-4.3MPa范围内。
在一些实施例中，所述过渡层的热膨胀系数高于所述金刚层的热膨胀系数。
在一些实施例中，所述基体层的抗弯韧性在3.8MPa-4.0MPa范围内。
在一些实施例中，所述过渡层的热膨胀系数在0.8/k-6.0/k范围内。
在一些实施例中，所述金刚层的晶粒尺寸范围为0.1μm-100μm；和/或
所述过渡层的晶粒尺寸范围为0.1μm-100μm。
在一些实施例中，矫顽磁力在110Oe-300Oe范围内，磁饱和在120emu/g-160emu/g范围内。
在一些实施例中，所述金刚层的厚度范围为0.5mm-5.0mm。
在一些实施例中，所述基体层的厚度大于所述金刚层的厚度，所述金刚层的厚度大于所述过渡层的厚度。
在一些实施例中，所述基体层、所述过渡层及所述金刚层的厚度之和大于2.5mm。
本申请实施例第二方面提供一种微钻刀具装置，其包括如上述方案中任一项所述的金刚石复合片。
有益效果：本实用新型提供一种金刚石复合片及微钻刀具装置，金刚石复合片包括依次层叠设置的基体层、过渡层及金刚层；其中，所述基体层的热膨胀系数高于所述过渡层及金刚层的热膨胀系数，且所述过渡层的热膨胀系数与所述金刚层的热膨胀系数相匹配，所述基体层的抗弯韧性在3.5MPa-4.3MPa范围内。基体层与金刚层之间通过过渡层两侧进行连接，且基体层热膨胀系数大于过渡层和金刚层，过渡层又与金刚层的热膨胀系数相匹配，配合基体层抗弯韧性大于3.5MPa，从而该金刚石复合片能够减少在微钻热效应对其的影响，并能够提高抵抗其弯曲和断裂的能力，提高了加工微钻时复合片的抗弯强度，增强了复合片的耐久度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的金刚石复合片的结构示意图；
附图标记说明：
10、基体层；20、过渡层；30、金刚层。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实用新型的发明人发现，普通金刚石在加工微钻时容易出现硬质合金抗弯强度不足，界面易腐蚀，界面处容易断裂等问题，在现有复合片加工刀具的设计方案中，普通金刚石复合片材料在加工微钻刀具时，由于普通金刚石复合片的抗弯强度有待提高，在加工微钻时的硬质合金抗弯强度不足，界面抗腐蚀、抗裂韧性较差容易在界面处断裂，进而导致加工微钻时复合片的使用寿命有待增强。
基于此，发明人所提供的本实用新型一实施例中，基体层与金刚层之间通过过渡层两侧进行连接，且基体层热膨胀系数大于过渡层和金刚层，过渡层又与金刚层的热膨胀系数相匹配，配合基体层抗弯韧性在3.5MPa-4.3MPa范围内，从而该金刚石复合片能够减少在微钻热效应对其的影响，并能够提高抵抗其弯曲和断裂的能力，提高了加工微钻时复合片的抗弯强度，增强了复合片的耐久度。
可以理解的是，热膨胀系数是材料(如基体层、过渡层及金刚层)在温度变化时，长度、面积或体积的变化与温度变化之间的比例关系。
热膨胀系数的作用包括控制热应力，不同材料的热膨胀系数是不同的，当不同材料相互连接或共同使用时，温度变化可能会导致产生热应力。从而根据依次层叠设置的基体层、过渡层和金刚层，且基体层热膨胀系数大于过渡层和金刚层，过渡层又与金刚层的热膨胀系数相匹配(二者相近或者过渡层热膨胀系数高于金刚层)，使得该设置方式下的金刚石复合片能够减小热应力(如复合片加工微钻时产生的热效应)对结构或设备的影响，提高复合片的抗弯强度，保证其耐久度。
抗弯韧性是材料抵抗弯曲和断裂的能力。它表示了材料在受到外力作用时，能够抵抗弯曲变形和断裂的能力。抗弯韧性通常用于描述材料的柔韧性和韧性。
基体层抗弯韧性大于3.5MPa，也就是具有较好的抗弯韧性，能够在受到外力作用时(通过过渡层连接的金刚层工作表面加工微钻时)保持形状稳定，不易折断或断裂。同时，抗弯韧性也与材料的耐久性和可靠性紧密相关，对于某些领域，如航空航天和汽车工业，材料需要经受长时间的使用和负荷，具有较高的抗弯韧性可以延长材料的使用寿命，并增加结构的安全性。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。
参见图1，本申请实施例提供一种金刚石复合片，包括依次层叠设置的基体层10、过渡层20及金刚层30；
其中，所述基体层10的热膨胀系数高于所述过渡层20及金刚层30的热膨胀系数，且所述过渡层20的热膨胀系数与所述金刚层30的热膨胀系数相匹配，所述基体层10的抗弯韧性在3.5MPa-4.3MPa范围内。
具体的，基体层10为高韧性硬质合金基体，过渡层20包括至少一种超硬和/或硬质的微粒，该过渡层20为复合材料层，即，复合材料层包括金刚石、金属(如Co、Te、Ni、Mn、Ta、Nb、Cu、Al、Mo、Cr、Ta、Al、W)、非金属(如Si、B)、金属非金属氮化物(如CBN、CrN、Si3N4、TaN、ALN)、金属非金属碳化物(如SiC、B4C、WC)中的至少一种。需要说明的是，过渡层20的加入可以缓解烧结过程因金刚石与硬质合金、金属钴之间热膨胀率差异大导致的烧结脱层问题，同时可以实现烧结材料界面近似纯平的效果，以提高复合片的抗弯强度。
本申请的金刚石复合片整体为直径19～65mm的微钻用聚晶金刚石复合片，区别于普通金刚石复合片，微钻材料对硬质合金抗弯强度，界面抗腐蚀、抗裂韧性要求较高，因此在本申请实施例中的加工制作金刚石微钻刀具时采用高韧性硬质合金基体(即基体层10)，同时过渡层20连接金刚层30和基体层10，能够提升复合界面抗腐蚀、抗裂韧性。通过该方式可以批量合成出高质量的金刚石微钻刀具，且可实现较高的成品率。
在上述实施例中，如图1所示的金刚石复合片以截面长方形的形式进行展示，在实际制作时，金刚石复合片可被设置成多种形状，例如截面呈圆形，本领域技术人员可以理解的是图示仅为体现结构原理，具体设置时可根据实际的使用需求自主修改。
在一些实施例中，所述过渡层20的热膨胀系数高于所述金刚层30的热膨胀系数。
具体的，在本实施例中，基体层10、过渡层20及金刚层30的热膨胀系数依次减少，且三者热膨胀系数差异不大，以在加工微钻时具有较好的抗弯强度而保证耐久度。
在一些实施例中，所述过渡层20的热膨胀系数在0.8/k-6.0/k范围内。
具体的，过渡层20包括单独一种金属碳氮化物和非金属碳氮化物，提高金刚石复合片的抗弯强度，使其具有良好的界面抗腐蚀、抗裂韧性。
在另一种实施例中，过渡层20包括金刚石以及至少一种金属、金属碳氮化物和非金属碳氮化物。
在一些实施例中，如图1所示，所述金刚层30的晶粒尺寸范围为0.1μm-100μm。
在一些实施例中，如图1所示，所述过渡层20的晶粒尺寸范围为0.1μm-100μm。
具体的，金刚石和过渡层20的平均晶粒尺寸在0.1微米至100微米范围内。
在一些实施例中，所述基体层10的抗弯韧性在3.5MPa-4.3MPa范围内，矫顽磁力在110Oe-300Oe范围内，磁饱和在120emu/g-160emu/g范围内。
具体的，(多晶)金刚层30为PCD层，基体层10为高韧性基材，配合过渡层20(复合材料层)提高金刚石复合片的抗弯强度。
在一些实施例中，所述基体层的抗弯韧性在3.8MPa-4.0MPa范围内。
具体的，本实施例中基体层的抗弯韧性可设置为3.9MPa。
在一些实施例中，如图1所示，所述金刚层30的厚度范围为0.5mm-5.0mm。
具体的，复合片的尺寸为19～65mm(直径或边长)，金刚层30厚0.5～5.0mm。
在一些实施例中，复合片的结合相以3-20wt％的量存在。
在一些实施例中，烧结碳化物的占比大于80wt％。
在一些实施例中，如图1所示，所述基体层10的厚度大于所述金刚层30的厚度，所述金刚层30的厚度大于所述过渡层20的厚度。
在一些实施例中，如图1所示，所述基体层、所述过渡层20及所述金刚层30的厚度之和大于2.5mm。
本申请的金刚石复合片能够有效提升金刚石微钻材料复合界面抗腐蚀、抗裂韧性，同时，高韧性硬质合金的引入也有效提高了微钻抗弯强度，保证复合界面不易断裂。
基于上述实施例，本实用新型还提供一种微钻刀具装置，其包括如上述方案中任一项所述的金刚石复合片。
本实用新型提供的微钻刀具装置，因设置有上述任一技术方案中所述的金刚石复合片，从而具有以上全部有益效果，在此不再赘述。
下面，结合图1，对金刚石复合片的制备的过程进行说明。
S1、将金刚石微粉进行纯化(净化)处理，其主要是金刚石微粉同碱盐粉末混合均匀加入至坩埚中，并将温度加热至365℃，处理时间一小时放置室温后进行酸中和处理，最后用超纯水对金刚石粉末清洗至中性，保证金刚石微粉具有较高的洁净度；
S2、将处理的金刚石微粉按一定比例进行混合处理，后装混合粉末装入预设的金属杯中；
S3、将准备好的过渡层粉末(其包括：金刚石、金属(Cr、Ta、Al、W)、非金属(Si、B)、金属非金属氮化物(CBN、CrN、Si3N4、TaN、ALN)、金属非金属碳化物(SiC、B4C、WC))混合均匀采用热压烧结技术制备成薄片放至在金属触媒片上方铺平，再将清洗干净的碳化钨合金扣入金属杯中，并用四柱压机压实。过度层碳化物的加入可以缓解烧结过程因金刚石与硬质合金、金属钴之间热膨胀率差异大导致的烧结脱层问题，同时可以实现烧结材料界面近似纯平的效果；
S4、将预装好的材料放入真空烧结炉中在温度550～750℃时间2小时进行热处理，待炉子凉至室温后，取出材料并装入准备好的叶腊石复合块中，在温度1400～1700℃，压力5～7GPa的条件合成出高度大于2.5mm的超厚金刚石复合片毛坯，最后再经过外圆磨、研磨、平面磨后制成所需的金刚石微钻刀具复合材料。
可以理解的是，本申请的复合片其是由金刚石微粉和硬质合金基体及过度粉末在高温、高压条件下烧结而成，主体材料包括硬质合金基体与烧结后的聚晶金刚石层组成，既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
一般而言，应当至少部分地由语境下的使用来理解术语。例如，至少部分地根据语境，文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数的意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数的意义的特征、结构或特性的组合。类似地，至少部分地根据语境，还可以将诸如“一”或“所述”的术语理解为传达单数用法或者传达复数用法。
应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在......上”、“在......以上”和“在......之上”，以使得“在......上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在......以上”或者“在......之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层(即，直接处于某物上)的含义。
文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种金刚石复合片，其特征在于，包括依次层叠设置的基体层、过渡层及金刚层；
其中，所述基体层的热膨胀系数高于所述过渡层及金刚层的热膨胀系数，且所述过渡层的热膨胀系数与所述金刚层的热膨胀系数相匹配，所述基体层的抗弯韧性在3.5MPa-4.3MPa范围内。
2.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层的热膨胀系数高于所述金刚层的热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述基体层的抗弯韧性在3.8MPa-4.0MPa范围内。
4.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述过渡层的热膨胀系数在0.8/k-6.0/k范围内。
5.根据权利要求4所述的金刚石复合片，其特征在于，所述金刚层的晶粒尺寸范围为0.1μm-100μm；和/或
所述过渡层的晶粒尺寸范围为0.1μm-100μm。
6.根据权利要求4所述的金刚石复合片，其特征在于，矫顽磁力在110Oe-300Oe范围内，磁饱和在120emu/g-160emu/g范围内。
7.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其特征在于，所述金刚层的厚度范围为0.5mm-5.0mm。
8.根据权利要求7所述的金刚石复合片，其特征在于，所述基体层的厚度大于所述金刚层的厚度，所述金刚层的厚度大于所述过渡层的厚度。
9.根据权利要求8所述的金刚石复合片，其特征在于，所述基体层、所述过渡层及所述金刚层的厚度之和大于2.5mm。
10.一种微钻刀具装置，其特征在于，其包括如权利要求1至9中任一项所述的金刚石复合片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |