CN104275562B - 一种钎焊材料、聚晶金刚石复合制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钎焊材料、聚晶金刚石复合制品及其制备方法，该钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu55％～65％、Zn15％～25％、Mn2％～3％、Ni8％～10％、Sn2％～4％、催化剂元素5％～10％。本发明的钎焊材料，熔化温度适中，用于聚晶金刚石复合片与硬质合金基座焊接时，不会对聚晶金刚石层造成热损伤，保证了聚晶金刚石复合片与硬质合金基座的强度；具有良好的延展性，使钎焊材料熔化后充分润湿焊接面并与母材进行充分扩散，使焊接层具有较高的连接强度，使用过程中，可承受较大的切削力和冲击力，聚晶金刚石复合片不易脱落，提高了焊接后的聚晶金刚石复合制品的质量和使用寿命。

Description

一种钎焊材料、聚晶金刚石复合制品及其制备方法
技术领域
本发明属于超硬材料加工技术领域，具体涉及一种钎焊材料，同时还涉及一种聚晶金刚石复合制品及其制备方法。
背景技术
聚晶金刚石复合片由切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结而成，切削层由金刚石颗粒和粘结剂混合组成，具有金刚石的高硬度和耐磨性，硬质合金衬底层具有良好的强度和刚度，二者的结合使聚晶金刚石复合片兼具金刚石和硬质合金的特点，具有优异的切削性能，因此被广泛应用于机械加工、钻探开采等技术领域。
但是，由于高温高压烧结合成设备的工作空间有限，且合成成本较高，限制了聚晶金刚石复合片的尺寸和复杂程度，一般所得聚晶金刚石复合片结构简单、尺寸较小，尤其是聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层高度较小，不能适应各种各样的切削机械配合安装与复杂多变的工作环境。因此，一般情况下，需要将聚晶金刚石复合片固定在刀具、磨具、钻头的基体、基座刀杆支撑体上制成聚晶金刚石复合制品，以弥补聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层结构简单、尺寸较小，尤其是高度较小的问题，方便将聚晶金刚石复合片配合安装在切削机械上，以满足复杂多变的工作环境的需要。
目前，将聚晶金刚石复合片固定在刀具、磨具、钻头的基体、基座或支撑体上的方法主要为钎焊。钎焊是指采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接焊件的方法。钎焊操作简单，具有较好的连接强度，适合聚晶金刚石复合制品(如刀具、磨具或钻头)的精密制备。但是，现有的钎焊材料往往存在着各种问题，影响聚晶金刚石复合制品的焊接质量：有的熔化温度过高，焊接时会造成聚晶金刚石复合片的聚晶金刚石层的热损伤，影响焊接制品的使用性能；有的熔化温度过低，聚晶金刚石复合片与刀具、磨具、钻头的基体、基座或支撑体的连接强度得不到保证；有的焊接性能较差，不能保证焊接的牢固度，造成使用过程中聚晶金刚石复合片容易脱落，影响聚晶金刚石复合制品的使用寿命，尤其是当刀具、磨具、钻头的基体、基座或支撑体为硬质合金材料时，焊接强度低，不能满足使用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种钎焊材料，解决现有钎焊材料焊接时，聚晶金刚石复合片与硬质合金基座的焊接强度较差，聚晶金刚石复合片在使用过程中容易脱落的问题。
本发明的第二个目的是提供一种聚晶金刚石复合制品。
本发明的第三个目的是提供一种聚晶金刚石复合制品的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu55％～65％、Zn15％～25％、Mn2％～3％、Ni8％～10％、Sn2％～4％、催化剂元素5％～10％。
所述催化剂元素为Pd或Pt。
所述钎焊材料的熔点为900～930℃。
一种聚晶金刚石复合制品，包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu55％～65％、Zn15％～25％、Mn2％～3％、Ni8％～10％、Sn2％～4％、催化剂元素5％～10％。
所述聚晶金刚石复合制品，包括聚晶金刚石复合刀具、聚晶金刚石复合磨具、聚晶金刚石复合钻头等具体形式。
所述催化剂元素为Pd或Pt。
所述焊接层的厚度为0.02～0.1mm。
所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。
所述聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的材质为硬质合金YG6(含WC约94％，Co约6％)，YG8(含WC约92％，Co约8％)，YG13(含WC约87％，Co约13％)或YG15(含WC约85％，Co约15％)。
所述硬质合金基座的材质为硬质合金YG6(含WC约94％，Co约6％)，YG8(含WC约92％，Co约8％)，YG13(含WC约87％，Co约13％)或YG15(含WC约85％，Co约15％)。
一种上述的聚晶金刚石复合制品的制备方法，包括下列步骤：
1)将聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料、硬质合金基座置于丙酮溶液中浸泡清洗；
2)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为900～930℃，保温2～10min后，即得。
所述聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面与硬质合金基座的焊接面在清洗之前进行平磨，至焊接面的平面度为0.005～0.02mm。
步骤1)中，所述丙酮溶液的质量浓度为90％～99％。
步骤1)中，所述浸泡的时间为1～2h。
步骤2)中所述组装是指将聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面与硬质合金基座的焊接面相对放置，将片状钎焊材料置于两焊接面之间，压紧。
步骤2)中组装时，所述片状钎焊材料的平面形状与聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面相对应，且该平面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1～2mm。
步骤2)中组装时，所述硬质合金基座的焊接面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1～2mm。
本发明的钎焊材料，由Cu、Zn、Mn、Ni、Sn和催化剂元素组成，熔点为900～930℃，温度适中，用于聚晶金刚石复合片与硬质合金基座焊接时，不会对聚晶金刚石层造成热损伤，同时保证了聚晶金刚石复合片与硬质合金基座的强度；催化剂元素使钎焊材料具有良好的延展性，使钎焊材料熔化后充分润湿焊接面并与母材进行充分扩散，使焊接层具有较高的连接强度，使用过程中，可承受较大的切削力和冲击力，聚晶金刚石复合片不易脱落，提高了焊接后的聚晶金刚石复合制品的质量和使用寿命；焊接时，不受硬质合金基座尺寸和形状的限制，可使焊接后的聚晶金刚石复合制品与各种切削机械配合安装，满足复杂多变的工作环境的需求，适用范围广，具有良好的应用前景。
本发明的聚晶金刚石复合制品，使用由Cu、Zn、Mn、Ni、Sn和催化剂元素组成的钎焊材料将聚晶金刚石复合片焊接在硬质合金基座上，钎焊材料形成的焊接层具有较高的连接强度和牢固度，使聚晶金刚石复合制品在使用过程中，可承受较大的切削力和冲击力，聚晶金刚石复合片不易脱落，具有较高的使用性能和较长的使用寿命；不受硬质合金基座尺寸和形状的限制，可与各种切削机械配合安装，满足复杂多变的工作环境的需求，适用范围广，具有良好的应用前景。
本发明的聚晶金刚石复合制品的制备方法，是聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为900～930℃，温度适中，不会对聚晶金刚石层造成热损伤，同时保证了聚晶金刚石复合片与硬质合金基座的强度；不受硬质合金基座尺寸和形状的限制，所得聚晶金刚石复合制品可与各种切削机械配合安装，满足复杂多变的工作环境的需求，适用范围广；该制备方法操作简单，焊接时间短，生产效率高，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1的聚晶金刚石复合刀具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu58％、Zn15％、Mn3％、Ni10％、Sn4％、Pd10％。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具，如图1所示，包括聚晶金刚石复合片1和硬质合金基座3，所述聚晶金刚石复合片1和硬质合金基座3之间具有由钎焊材料形成的焊接层2，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu58％、Zn15％、Mn3％、Ni10％、Sn4％、Pd10％。所述硬质合金基座的材质为YG6。所述聚晶金刚石复合片1包括聚晶金刚石层11和硬质合金衬底层12，所述硬质合金衬底层12与所述硬质合金基座3的材质相同。所述焊接层2位于硬质合金衬底层12和硬质合金基座3之间。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片为圆柱体，高度为13mm，直径为20mm，对聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面进行平磨，其焊接面为圆柱体的一端面，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
2)取圆片状的钎焊材料，直径为21mm，厚度为0.05mm，备用；
3)取硬质合金基座，所述硬质合金基座为圆柱体，高度为18mm，直径为21mm，对硬质合金基座的焊接面进行平磨，焊接面为圆柱体的一端面，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
4)将聚晶金刚石复合片、圆片状钎焊材料、硬质合金基座置于质量浓度为90％的丙酮溶液中浸泡1h，清洗干净；
5)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为900℃，保温5min后，取出，采用磨削加工的方式得到直径为19mm，高度为30mm的圆柱形聚晶金刚石复合刀具。
实施例2
本实施例的钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu55％、Zn20％、Mn2％、Ni9％、Sn4％、Pd10％。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具，包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu55％、Zn20％、Mn2％、Ni9％、Sn4％、Pd10％。所述硬质合金基座的材质为YG8。所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。所述焊接层位于硬质合金衬底层和硬质合金基座之间。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片为圆柱体，高度为13mm，直径为17mm，对其硬质合金衬底层的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.005mm，备用；
2)取圆片状的钎焊材料，直径为18mm，厚度为0.04mm，所述片状钎焊材料的平面形状与聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面相对应，且该平面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1mm，备用；
3)取硬质合金基座，所述硬质合金基座为圆柱体，高度为15mm，直径为18mm，所述硬质合金基座的焊接面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1mm，对硬质合金基座的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.005mm，备用；
4)将聚晶金刚石复合片、圆片状钎焊材料、硬质合金基座置于质量浓度为92％的丙酮溶液中浸泡1h，清洗干净；
5)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为930℃，保温2min后，取出，采用磨削加工的方式得到直径为16mm，高度为26mm的聚晶金刚石复合刀具。
实施例3
本实施例的钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu65％、Zn15％、Mn3％、Ni8％、Sn2％、Pd7％。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具，包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu65％、Zn15％、Mn3％、Ni8％、Sn2％、Pd7％。所述硬质合金基座的材质为YG11。所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。所述焊接层位于硬质合金衬底层和硬质合金基座之间。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片为圆柱体，高度为8mm，直径为17mm，对其硬质合金衬底层的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
2)取圆片状的钎焊材料，直径为19mm，厚度为0.02mm，所述片状钎焊材料的平面形状与聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面相对应，且该平面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大2mm，备用；
3)取硬质合金基座，所述硬质合金基座为圆柱体，高度为30mm，直径为19mm，所述硬质合金基座的焊接面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大2mm，对硬质合金基座的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
4)将聚晶金刚石复合片、圆片状钎焊材料、硬质合金基座置于质量浓度为94％的丙酮溶液中浸泡2h，清洗干净；
5)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为910℃，保温5min后，取出，采用磨削加工的方式得到直径为16mm，高度为36mm的聚晶金刚石复合刀具。
实施例4
本实施例的钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu60％、Zn20％、Mn2％、Ni10％、Sn3％、Pd5％。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具，包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu60％、Zn20％、Mn2％、Ni10％、Sn3％、Pd5％。所述硬质合金基座的材质为YG13。所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。所述焊接层位于硬质合金衬底层和硬质合金基座之间。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片为圆柱体，高度为8mm，直径为14mm，对其硬质合金衬底层的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.02mm，备用；
2)取圆片状的钎焊材料，直径为15.5mm，厚度为0.1mm，所述片状钎焊材料的平面形状与聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面相对应，且该平面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1.5mm，备用；
3)取硬质合金基座，所述硬质合金基座为圆柱体，高度为20mm，直径为15.5mm，所述硬质合金基座的焊接面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1.5mm，对硬质合金基座的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.02mm，备用；
4)将聚晶金刚石复合片、圆片状钎焊材料、硬质合金基座置于质量浓度为96％的丙酮溶液中浸泡1h，清洗干净；
5)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为920℃，保温5min后，取出，采用磨削加工的方式得到直径为13mm，高度为26mm的聚晶金刚石复合刀具。
实施例5
本实施例的钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu55％、Zn25％、Mn2％、Ni8％、Sn2％、Pd8％。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具，包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu55％、Zn25％、Mn2％、Ni8％、Sn2％、Pd8％。所述硬质合金基座的材质为YG13。所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。所述焊接层位于硬质合金衬底层和硬质合金基座之间。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片为圆柱体，高度为8mm，直径为9mm对其硬质合金衬底层的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
2)取圆片状的钎焊材料，直径为10mm，厚度为0.08mm，所述片状钎焊材料的平面形状与聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面相对应，且该平面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1mm，备用；
3)取硬质合金基座，所述硬质合金基座为圆柱体，高度为22mm，直径为10mm，所述硬质合金基座的焊接面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1mm，对硬质合金基座的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
4)将聚晶金刚石复合片、圆片状钎焊材料、硬质合金基座置于质量浓度为99％的丙酮溶液中浸泡1h，清洗干净；
5)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为915℃，保温10min后，取出，采用磨削加工的方式得到直径为8mm，高度为28mm的聚晶金刚石复合刀具。
实施例6
本实施例的钎焊材料，由以下质量百分比的组分组成：Cu63％、Zn15％、Mn3％、Ni10％、Sn4％、Pt5％。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具，包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu63％、Zn15％、Mn3％、Ni10％、Sn4％、Pt5％。所述硬质合金基座的材质为YG13。所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。所述焊接层位于硬质合金衬底层和硬质合金基座之间。
本实施例的聚晶金刚石复合刀具的制备方法，包括下列步骤：
1)取聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片为圆柱体，高度为8mm，直径为9mm对其硬质合金衬底层的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
2)取圆片状的钎焊材料，直径为10mm，厚度为0.08mm，所述片状钎焊材料的平面形状与聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面相对应，且该平面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1mm，备用；
3)取硬质合金基座，所述硬质合金基座为圆柱体，高度为22mm，直径为10mm，所述硬质合金基座的焊接面的尺寸比聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面的尺寸大1mm，对硬质合金基座的焊接面进行平磨，使焊接面的平面度达0.01mm，备用；
4)将聚晶金刚石复合片、圆片状钎焊材料、硬质合金基座置于质量浓度为96％的丙酮溶液中浸泡2h，清洗干净；
5)将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为930℃，保温8min后，取出，采用磨削加工的方式得到直径为8mm，高度为28mm的聚晶金刚石复合刀具。
具体实施方式中所用的聚晶金刚石复合片，是由以下方法制备的：取金刚石微粉，经配料、混料后得切削层混合料，将切削层混合料与硬质合金衬底层进行组装后，置于1300～1400℃的高温、5.8～6.0GPa的高压条件下进行烧结，即得聚晶金刚石复合片。

Claims (8)

1.一种钎焊材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Cu55%～65%、Zn15%～25%、Mn2%～3%、Ni8%～10%、Sn2%～4%、Pd或Pt5%～10%。
2.一种聚晶金刚石复合制品，其特征在于：包括聚晶金刚石复合片和硬质合金基座，所述聚晶金刚石复合片和硬质合金基座之间具有由钎焊材料形成的焊接层，所述钎焊材料由以下质量百分比的组分组成：Cu55%～65%、Zn15%～25%、Mn2%～3%、Ni8%～10%、Sn2%～4%、Pd或Pt5%～10%。
3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合制品，其特征在于：所述焊接层的厚度为0.02～0.1mm。
4.根据权利要求2所述的聚晶金刚石复合制品，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石层和硬质合金衬底层，所述硬质合金衬底层与所述硬质合金基座的材质相同。
5.一种如权利要求2所述的聚晶金刚石复合制品的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）将聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料、硬质合金基座置于丙酮溶液中浸泡清洗；
2）将清洗后的聚晶金刚石复合片、片状钎焊材料和硬质合金基座组装后置于真空焊接炉内进行真空焊接，焊接温度为900～930℃，保温2～10min后，即得。
6.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合制品的制备方法，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片的硬质合金衬底层的焊接面与硬质合金基座的焊接面在清洗之前进行平磨，至焊接面的平面度为0.005～0.02mm。
7.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合制品的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述丙酮溶液的质量浓度为90%～99%。
8.根据权利要求5或7所述的聚晶金刚石复合制品的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述浸泡的时间为1～2h。
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