CN105307820A - 采矿镐和将采矿镐钎焊到硬质合金体的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种工具(100)和制造这种工具的方法。该工具包括套筒(102)和压实物(104)。该套筒可具有近端(112)、远端(106)、中心轴线(120)和从近端延伸到远端的孔腔(140)，该孔腔具有内壁(210)。该压实物可具有底端(110)和与底端相对置地间隔的冲击表面(116)。该压实物可以基本布置在套筒的孔腔内。近端可以布置邻近压实物的底端。

Description

采矿镐和将采矿镐钎焊到硬质合金体的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年5月29日提交的美国临时申请No.61/828225的优先权。

技术领域和工业实用性

本发明总地涉及超硬磨料压实物及其制造方法，并且更具体地涉及采矿镐和将采矿镐钎焊到碳化钨硬质合金体的方法。

发明内容

在一个实施例中，一种工具可包括：套筒，该套筒具有近端、远端、中心轴线、以及孔腔，孔腔从近端附近延伸到远端附近，孔腔具有内壁；和压实物，该压实物具有底端和与底端相对置地间隔的冲击表面，其中，压实物基本布置在套筒的孔腔内，其中，套筒的近端布置邻近压实物的底端。

在另一个实施例中，一种方法包括：提供具有近端、远端、第一中心轴线和孔腔的套筒；套筒的近端位于套筒的远端的上方；将压实物以这样的方式嵌入到套筒的孔腔中，即：以致压实物的第二中心轴线与套筒的第一中心轴线重合；并将塞子钎焊在压实物和套筒中。

在还一个实施例中，一个工具包括：套筒，该套筒具有近端、远端、第一中心轴线和孔腔；和压实物，该压实物基本钎焊在套筒的孔腔内，其中，压实物具有第二中心轴线，其中，第一中心轴线和第二中心轴线重合。

附图说明

当结合附图阅读时，以上概述以及随后的实施例的详细描述将被更好的理解。应该理解的是，描述的实施例并非限制于所示的精确的布置和手段。

图1a是根据一个实施例的带有套筒和塞子的压实物的示意性主视图；

图1b是根据另一个实施例的带有套筒和塞子的压实物的示意性主视图；

图2a是根据一个实施例的套筒和塞子的示意性主视图；

图2b是根据另一个实施例的套筒和塞子的示意性主视图；

图3是根据另一个实施例的带有套筒的压实物的示意性主视图；

图4a是根据一个实施例的套筒的示意性俯视图；

图4b是根据一个实施例的压实物的示意性主视图；

图5是根据一个实施例的套筒、压实物、钎焊金属和支撑的横截面视图；

图6是根据另一个实施例的套筒、压实物、钎焊金属和支撑的横截面视图；

图7是根据还一个实施例的套筒、压实物、钎焊金属和支撑的横截面视图；

图8是根据进一步的另一个实施例的套筒、压实物、钎焊金属和支撑的横截面视图；

图9是根据又一个实施例的套筒、压实物、钎焊金属和支撑的横截面视图；以及

图10是示出制造包括根据一个实施例的采矿镐和套筒的工具的方法的流程图。

具体实施方式

多晶金刚石复合物(或者如在下文中所使用的“PDC”)可以表示大量的带有填充颗粒间空间的嵌入外来材料的晶体金刚石颗粒。在一种特殊的情况下，多晶金刚石复合物包括晶体金刚石颗粒，该颗粒通过强金刚石与金刚石结合而彼此结合，并形成刚硬的多晶金刚石体，并且颗粒间的区域布置在所结合的颗粒之间并且被填充用于在制造过程中促进金刚石结合的催化剂材料(如钴或其合金)。合适的金属溶剂催化剂可包括在周期表的VIII族中的金属。PDC切削元件(或如下文中所使用的“PDC刀具”)包括上述的多晶金刚石体，该多晶金刚石体借助于钴金属的存在而附接到合适的支撑基体，例如，钴钨硬质合金(WC-Co)。在另一个特定的情况下，多晶金刚石复合物包括不互相结合的多个多晶金刚石颗粒，但是作为替代，其通过外来粘结材料(如硼化物、氮化物、碳化物、例如SiC)而粘合在一起。

多晶金刚石复合物和PDC刀具可以以不同的方式制造并且PDC刀具可以经由不同方法被涂覆。在一个示例中，PDC刀具通过将金刚石多晶粉末与合适的溶剂催化剂材料(例如钴)的混合物放置在碳化钨钴合金的基体顶部而形成，其组件遭受极高压和高温(HPHT)的处理条件，其中，溶剂催化剂促进期望的晶间的金刚石与金刚石结合，并且还提供了多晶金刚石体与支撑基体之间的粘合。

在另一个示例中，PDC刀具通过将没有催化剂材料的金刚石粉末放置在含有催化剂材料(例如碳化钨-钴合金基体或者与金刚石粉末接触的附加的薄钴盘)的基体的顶部而形成。在这个示例中，从基体上供给必要的钴催化剂材料并且在高压高温(HPHT)过程期间融化的钴被迅速传遍于金刚石粉末。

在还一个示例中，硬质多晶金刚石复合物通过形成金刚石粉末和硅粉末的混合物，并且混合物遭受高压高温过程来制造。在高压高温条件下，硅熔化并且和金刚石发生反应，形成SiC，从而形成致密的多晶刀具，其中，金刚石颗粒由新形成的SiC材料而被粘合在一起。采用这种方法制作的金刚石复合物通常被称为“碳化硅结合的金刚石复合物”。

采矿镐由碳化硅结合的金刚石复合物制成，例如Versimax(由戴蒙得创新股份有限公司生产，沃辛顿，美国俄亥俄州)，已进行了实验室测试并证明具有优于碳化钨材料的性能。为了制造工具，金刚石嵌入物可以钎焊到碳化钨保持件中。采矿镐可以以碳化钨保持件为中心，以围绕嵌入物全周维持均匀的钎焊接头。可以使用真空钎焊、感应钎焊、或炉中钎焊。PDC可以由金属、金属碳化物、或金属和金属碳化物的混合物涂覆，或不涂覆，这取决于所选择的钎焊方法和钎焊合金的需要。

在一个实施例中，多晶金刚石复合物可以封装在像壳一样的套筒中，例如碳化钨套筒，其是可钎焊的。该碳化钨套筒可以具有在尖端处的倾斜部分和在底部中的可以可靠地将多晶金刚石保持到位的塞子。该碳化钨套筒可以具有孔腔，在其内部具有多个脊部，以环绕多晶金刚石复合物。该碳化钨套筒可以具有圆柱体。碳化钨套筒的直径和角度可以与多晶金刚石复合物嵌入物的对应的几何尺寸匹配。

该碳化钨套筒可以被放置在具有下降倾斜部分的支撑上。该多晶金刚石复合物可以与钎焊金属和塞子一起地被嵌入到碳化钨套筒中。在另一个实施例中，碳化钨套筒可以具有狭缝，以使多晶金刚石复合物可以被钎焊进入到位，这时碳化钨套筒被周向压缩，这样将该套筒锁定到采矿镐上。

在又一个实施例中，不带有倾斜部分的直壁式空心碳化钨套筒可被使用。带有加工的孔、或者带有倾斜部分的环的各种部件可以被用来作为调整在碳化钨中的多晶金刚石复合物的方法。这样的加工的孔或环可以包括例如钻孔。例如，各种部件可以用石墨制成。

多晶金刚石复合物、碳化钨套筒、钎焊金属和碳化钨塞子的组件可以被置于熔炉中并被加热至钎焊温度，以熔化钎料。当钎料是液态时，其可能在多晶金刚石复合物、碳化钨套筒和塞子之间的所有空隙间流动。施加在多晶金刚石复合物和碳化钨套筒的倾斜部分的重量或者压力维持中心对准并且在多晶金刚石复合物和碳化钨套筒之间相等的钎焊接头厚度。

如图1a所示，工具100可以包括套筒102和压实物104，例如多晶金刚石复合物。该套筒102可以包括近端112、远端106、第一中心轴线120和孔腔140。该孔腔140可以从近端112附近延伸到远端106附近。该压实物104可包括底端110和与底端110相对置地间隔的冲击表面116。该压实物104可以基本布置在套筒102的孔腔140内。该套筒102的近端112可以布置邻近压实物104的底端110。压实物104可以基本钎焊在套筒102的孔腔140内。该压实物104可以具有第二中心轴线122。第一中心轴线120和第二中心轴线122可以重合。

冲击表面116可以包括圆角化的尖端118。当压实物104被嵌入到套筒102的孔腔140中时，该圆角化的尖端118可以基本布置在套筒102的孔腔140的外部。该套筒102可以具有倾斜部分108，该倾斜部分108朝向第一中心轴线120倾斜。该倾斜部分108可以帮助当套筒102被颠倒放下而使倾斜部分108指向向下时阻止压实物104从套筒102滑脱。在一个实施例中，该塞子114可以具有与套筒102相同的宽度。在另一个实施例中，如图1b所示，该塞子114可以具有与压实物104相同的宽度，以使塞子114的一部分150可以被嵌入到套筒102的孔腔140中。可以使一部分152突出套筒102的孔腔140外。该部分152可以在精加工后被磨掉(groundoff)。

如图2a所示，套筒102可以进一步包括内壁210和外部表面216。该塞子114可包括上表面212和下表面214。该上表面212可具有突出部218以使该突出部218可以被嵌入到套筒102的孔腔140中。在另一个实施例中，如图2b所示，上表面212可以是平坦的并且可以不具有突出部218。上表面212或者下表面214的宽度可以与作为套筒102的孔腔140的宽度相同，以使塞子的至少一部分可以被嵌入到套筒102中。该塞子114可以附接到套筒102的近端112和压实物104的底端110(如图1所示)。

如图3所示，套筒102可以进一步包括狭缝310，以使钎焊金属可以被嵌入到该狭缝中，以充满狭缝并连接套筒102的两侧。该狭缝310可能进一步从近端112延伸到远端106，以这种方式使得套筒102可以抵靠压实物104被夹紧。

参照图4a，套筒102可进一步包括多个脊部402，该多个脊部402从套筒102的近端112延伸到套筒102的远端106。该狭缝310可以从套筒102的外部表面216延伸到孔腔140的内壁210。

参照图4b，该压实物104可以进一步具有在其表面上的多个沟槽406，以容纳内壁210的多个脊部402，以这样的方式使得压实物104不会在套筒102的孔腔140内部转动或者旋转。该压实物104具有圆锥体410和圆柱体420。该圆柱体420可具有底端110和顶端430。该沟槽406可以从顶端430延伸到底端110。可有倒角部(未示出)围绕在底端110的外周。例如，该倒角部可以具有例如45度角度和约1mm宽度。该套筒104可具有在底部角部上的半径或者其可以在约45度下配合，以容纳该压实物104的倒角部。可以使该压实物104的倒角部阻止该压实物104的底部角部与套筒102接触，接触可以导致很高的局部应力和对该压实物的损害。

图5示出了工具100的另一个实施例。工具100可以包括套筒102和多晶金刚石复合物104。该工具100可进一步包括塞子114和用于套筒102的支撑502。该套筒102可进一步包括倾斜部分108。该倾斜部分108可与压实物104的轮廓一致。钎焊金属504可以被嵌入在塞子114和压实物104之间，例如多晶金刚石复合物。为了钎焊工艺，可拆卸的重物506可以被放置在塞子114的顶部。该塞子114和套筒102可以由碳化物制成，例如碳化钨。压实物104可以由选自于由立方氮化硼、金刚石、金刚石复合物、陶瓷、碳化硼、以及碳化硅构成的组中的材料来制成。该工具100可以被合并在钻头、剪切头、冲击钻头、牙轮钻头、采矿镐、挖沟镐、路面平整镐、挖掘镐、磨机、锤磨机、圆锥破碎机、颚式破碎机和冲击破碎机中的至少一个中。

参照图6，套筒104可以是直壁式空心碳化物圆柱体，例如碳化钨。支撑502可以进一步包括带有圆锥形设有内径的第一环602，第二环604和带有加工的孔的底座608。第一环602、第二环604和底座608可以由牺牲材料诸如石墨制成，其能够经受钎焊工艺温度。该支撑502可以有助于调整压实物，例如多晶金刚石复合物104和套筒102，以使压实物的轴线和套筒的轴线可以重合。

图7涉及支撑502的另一个实施例。支撑502可以是单件并且可以以这样的方式加工，即：使得压实物104的圆角化的尖端118的一部分落入加工的孔702中。

如图8所示，支撑502可以是单件并可以以这样的方式加工，即：使得压实物104的圆角化的尖端118基本落入加工的孔802中和孔腔140的外部。

如图9所示，套筒102可以由单件制成并且看上去像杯子。套筒102可以进一步包括直壁906和底部908。通过利用套筒102的杯型构造可以避免塞子的使用。支撑502可以包括孔902和倾斜的部分904，以使压实物104可以将套筒102与支撑502配合，以维持调整。在套筒102下方的孔902可以允许套筒102在钎焊的熔化和流动期间沉到压实物104上。

参照图10，一种制造工具的方法1000可以包括以下步骤：在步骤1002中，提供具有近端、远端、第一中心轴线和孔腔的套筒；在步骤1004中，将套筒的近端放置在套筒的远端的上方；在步骤1006中，将压实物嵌入到套筒的孔腔中，以这样的方式使得压实物的第二中心轴线与套筒的第一中心轴线重合；并且在步骤1008中，将塞子钎焊在压实物和套筒中。

制造工具的方法1000进一步包括步骤：在钎焊金属的顶部提供塞子；在塞子的顶部增加重物；为套筒提供支撑；加热包括套筒、压实物、支撑和钎焊金属的组件。在压实物被嵌入到套筒的孔腔中之前，该压实物可以被涂覆至少一层金属或者金属碳化物，例如，铬或铬碳化物、或金属和金属碳化物的混合物。该金属涂层可以被用于实现钎焊金属和压实物表面之间的润湿。该金属涂层可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、热扩散、电镀、化学镀等被沉积。

虽然参考了具体的实施例，但是显而易见的是，其它实施例和变型可以由本领域的技术人员在不偏离其精神和范围的情况下设计出来。所附权利要求书意在被解释为包括所有这样的实施例和等同变型。

示例1

原型采矿工具使用以下方法制造。采矿工具尖端由碳化硅结合剂金刚石复合物制作。尖端具有0.710英寸的总高度，74.5°的锥角，和0.4675英寸的直径。在钎焊尖端之前，利用CVD工艺施加于小于1微米厚的铬涂层。涂覆后的尖端具有0.468英寸的直径。与图2b示出的一个类似的碳化钨套筒被制造，其具有0.472英寸的内径和匹配Versimax尖端的角度的倾斜部分。钎焊剂(白色焊剂，HarrisStay-silv)被施加到了碳化钨套筒的内部和Versimax尖端的外部。该尖端被嵌入到套筒中，并放置在支撑上，使尖端在如图5所示的向下的位置。测量为0.466英寸的直径和0.005英寸的厚度的十五个钎焊盘(LucasMilhauptBraze495)被钎焊剂涂覆，并且被放置在Versimax尖端的底部的顶部上。测量为0.470英寸的直径和0.240英寸的厚度的碳化钨塞子被放置在钎焊盘堆叠的顶部的钎焊剂涂覆。利用感应线圈、熔化钎料，将组件在空气中加热到大约700℃。在当钎料是液态时的时间期间，碳化钨塞子被施加轻微压力，以将其推下到套筒内部。在冷却之后，利用线切割电火花加工切削该工具，以在两个位置检查钎焊接头厚度。至少0.0015英寸厚度的钎焊接头被维持在整个直径周围。距离尖端0.350英寸，接头在0.0020和0.0067英寸厚度之间变化。距离尖端0.630英寸，接头在0.0015和0.0037英寸厚之间变化。

Claims (24)

1.一种工具，包括：

套筒，所述套筒具有近端、远端、中心轴线和孔腔，所述孔腔从所述近端附近延伸到所述远端附近；所述孔腔具有内壁，以及

压实物，所述压实物具有底端和与所述底端相对置地间隔的冲击表面，其中，所述压实物被基本布置在所述套筒的所述孔腔内，其中，所述套筒的所述近端被布置邻近所述压实物的所述底端。

2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述套筒的所述孔腔具有倾斜部分。

3.根据权利要求1-2所述的工具，进一步包括塞子，所述塞子附接到所述套筒的所述近端和所述压实物的所述底端。

4.根据权利要求1-3所述的工具，其中，所述内壁具有多个脊部，所述多个脊部从所述套筒的所述近端延伸到所述套筒的所述远端。

5.根据权利要求4所述的工具，其中，所述压实物具有多个沟槽，以容纳所述内壁的所述多个脊部。

6.根据权利要求1-5所述的工具，其中，所述冲击表面具有圆角化的尖端。

7.根据权利要求6所述的工具，其中，所述圆角化的尖端被基本布置在所述孔腔的外部。

8.根据权利要求1-7所述的工具，其中，所述压实物由选自由立方氮化硼、金刚石、金刚石复合物、陶瓷、碳化硅、以及碳化硼构成的组中的材料制成。

9.根据权利要求1-8所述的工具，其中，所述工具被合并在钻头、剪切头、冲击钻头、牙轮钻头、采矿镐、挖沟镐、路面平整镐、挖掘镐、磨机、锤磨机、圆锥破碎机、颚式破碎机和冲击破碎机中的至少一个中。

10.一种方法，包括：

提供具有近端、远端、第一中心轴线和孔腔的套筒；

将所述套筒的所述近端布置在所述套筒的所述远端之上；

以压实物的第二中心轴线与所述套筒的所述第一中心轴线重合的方式将所述压实物嵌入到所述套筒的所述孔腔中；以及

将塞子钎焊到所述压实物和所述套筒中。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在钎焊金属的顶部提供塞子。

12.根据权利要求10-11所述的方法，进一步包括在所述塞子的顶部增加重物。

13.根据权利要求10-12的方法，进一步包括为所述套筒提供支撑。

14.根据权利要求10-13所述的方法，进一步包括加热包括所述套筒、所述压实物、所述支撑和所述钎焊金属的组件。

15.根据权利要求10-14所述的方法，进一步包括用至少一层金属或金属碳化物或金属和金属碳化物的混合物涂覆所述压实物。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，用于所述套筒的所述支撑包括带有加工的孔的石墨基体。

17.一种工具，包括：

套筒，所述套筒具有近端、远端、第一中心轴线、以及孔腔；以及

压实物，所述压实物基本钎焊在所述套筒的所述孔腔内，其中，所述压实物具有第二中心轴线，其中，所述第一中心轴线和所述第二中心轴线重合。

18.根据权利要求17所述的工具，其中，所述套筒的所述孔腔具有倾斜部分。

19.根据权利要求17-18所述的工具，其中，所述压实物具有底端和与所述底端相对置地间隔的冲击表面，所述近端被布置邻近所述压实物的所述底端。

20.根据权利要求17-19所述的工具，进一步包括附接到所述压实物的所述底端的塞子。

21.根据权利要求17-20所述的工具，其中，所述套筒具有多个脊部，所述多个脊部在所述套筒的内壁上从所述套筒的近端延伸到所述套筒的远端。

22.根据权利要求17-21所述的工具，进一步包括狭缝，所述狭缝从所述套筒的外部表面延伸到所述孔腔的内壁。

23.根据权利要求17-22所述的工具，其中，所述压实物具有多个沟槽，以容纳所述内壁的所述多个脊部。

24.根据权利要求17-23所述的工具，其中，所述压实物具有至少一层金属或金属碳化物、或金属和金属碳化物的混合物的涂层。