CN116900464B - 一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，属于焊接技术领域，包括以下步骤：(1)向基体粉末材料中添加粘结剂，充分混料均匀后进行预压以提升其密实度；(2)去除超硬材料表面的杂质，将除杂后的超硬材料用侧向支撑环包裹并放置于基体上，再将硬保护片放置于超硬材料与侧向支撑环上，将形成的组件用高熔点金属进行包裹，在组件上方和侧面放置软保护片，整体组装好后进行高温高压焊接；(3)泄温泄压后将焊接得到的刀具坯体取出，去除侧向支撑环、硬保护片和软保护片，进一步加工处理得到成品。本发明解决了在基体与超硬材料焊接中存在的焊接强度低、易造成金刚石石墨化、焊料焊接引入焊料层影响刀具热稳定性等问题。

Description

一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法。

背景技术

超硬材料是某些硬度超过40GPa的材料的一类统称，目前在行业上普遍认为可以称为超硬材料的只有金刚石和立方氮化硼(cBN)这两种。

在工业中大多使用经过高温高压烧结的聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)来消除金刚石单晶的各向异性。聚晶金刚石最具代表性的应用是聚晶金刚石钻齿(Polycrystalline Diamond Cutter,PCDC)，广泛应用于油气钻探领域，所以PCDC的性能很大程度上决定了钻井的深度和效率。而对cBN来说，其使用的主要形式是聚晶cBN(PcBN)，在工业中，PcBN主要的作用是替代PCD来切削铁族材料。

在实际使用过程中通常会用金刚石/cBN与高硬度、高韧性和高热导率的基体进行结合来制备刀具，这样可以减小使用成本，但现有技术中，对于两者的结合方法还存在以下问题：

1.金刚石、cBN与基体结合通常可以采用胶水粘接、激光焊接、微波焊接、高频焊接以及真空焊接等方式进行。其中，胶水粘接的刀具其基体部分与超硬材料部分结合强度低，切削、钻探效果很差。激光焊接、高频焊接以及真空焊接这几种焊接方式可以提升基体与超硬材料的结合强度，但缺点是热响应程度大，容易使金刚石氧化和石墨化，从而降低金刚石的物理、化学性能；同时，引入的高温环境在焊接掺有粘结剂的金刚石时会让金刚石内部的粘结剂成为金刚石颗粒向石墨转化的催化剂，会加快金刚石到石墨的转变，进而出现性能上的不稳定；同时高温下有粘结剂的PCD和PcBN中的粘结剂与金刚石和cBN的热膨胀系数不同，这会导致粘结剂膨胀挤压金刚石和cBN，从而在金刚石和cBN内部产生裂纹。而利用焊料(铁、钴、镍、银、铝、硅等)焊接超硬材料与基体虽然可以提升两者的结合强度，但焊料层的存在会在使用中影响热量的传递并且在高温下焊料会有氧化或熔融的情况，所以焊料层会影响刀具的性能。

2.目前市面上主流的超硬材料与基体焊接主要可以分为如下几种方式：(1)金刚石/cBN粉末与含粘结剂的基体(已烧结好的)进行焊接；(2)烧结好的高性能PCD/PcBN，利用胶水粘接、激光焊接、微波焊接、高频焊接以及真空焊接等方式进行。采用方式(1)制作的刀具在焊接后无法保证粘结剂在PCD/PcBN内部的均匀分布，从而导致PCD/PcBN端的性能拥有较为明显的差异；同时金刚石/cBN粉末与基体焊接是利用基体中的粘结剂来使金刚石微粉或cBN微粉结合，所以焊接出来的超硬材料部分是含有粘结剂的，此时超硬材料端的硬度和热稳定性是远低于无粘结剂的PCD/PcBN。而对(2)方式焊接刀具来说，列举的几种结合方式都需要保证PCD/PcBN与结合的基体端保持相互平行(保证焊料均匀平铺)，同时还需保证PCD/PcBN端与基体端之间无缺陷，如缺口、气孔、裂纹等，否则PCD/PcBN上的缺陷会在压力下崩裂，工艺要求较高。

3.利用块体基体材料与超硬材料进行焊接时，为了保证焊接的准静水压，所有的高压组装中样品部分都是圆形，只能烧结出圆柱形的刀具。而在现实应用中还需要有不同形状的的刀具(如椭圆、方形、锥台等)，但如果在高压组装中应用块体基体进行烧结，不规则的基体部分在高压组装中受到的压力不同会导致基体部分出现破损导致刀具焊接失败，所以不规则形状的刀具无法直接在高压组装中烧结。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中金刚石、cBN与基体结合强度低，容易使金刚石氧化和石墨化，焊料层影响刀具热稳定性以及对带缺损超硬材料样品利用方式的技术问题；目的在于提供一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，克服了现有焊接技术中存在的焊接强度低、易造成金刚石石墨化，焊料焊接会引入焊料层影响刀具热稳定性并且提升对缺损超硬材料的利用方式等问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，包括以下步骤：

(1)向基体粉末材料中添加粘结剂，充分混料均匀后进行预压以提升其密实度，预压后的基体密实度应保持在60％以上；

(2)通过超声清洗去除超硬材料表面的杂质，超声完成后用酒精在超声中浸泡清洗超硬材料，浸泡完成后烘干，然后将除杂后的超硬材料用侧向支撑环包裹并放置于基体上，再将硬保护片放置于超硬材料与侧向支撑环上，将形成的组件用高熔点金属进行包裹，使其不与外部材料相接触，接着在组件上方和侧面放置软保护片，整体组装好后进行高温高压焊接；

由于基体粉末预压后的密实度普遍处于50％-90％之间，这意味着烧结后基体部分相比于预压前会减少10％-50％的体积，而超硬材料经过提前烧结，所以它的密实度在98％以上，在此情况下基体粉末在高温高压下烧结塌缩会使腔体内产生巨大应力梯度，造成超硬材料碎裂或在其内部产生很多微裂纹。为了避免这一现象，在步骤(2)中，基体直径应大于超硬材料层的直径(在实验中需要将粉末预压基体的直径保持为超硬材料直径的1-2倍之间以保证经过高温高压烧结塌缩后基体部分有相应的加工尺寸)，直径差利用材料填充，即在超硬材料的外周设置侧向支撑环以提供侧向支撑，由于在高压下基体部分的塌缩也会对未与基体接触的金刚石/cBN表面产生应力冲击，所以该端面也需要进行保护，因此设置硬保护片对金刚石/cBN和侧向支撑环形成硬保护，同时需要保证金刚石/cBN的厚度是硬保护片的1-10倍，同时，在硬保护片上还需设置一层软保护片来提升金刚石/cBN在高温高压下的准静水压环境，减少金刚石/cBN部分的应力堆积，并且软保护片的设置方面也需要保证金刚石/cBN的厚度是其厚度的1-10倍。

(3)泄温泄压后将焊接得到的刀具坯体取出，去除侧向支撑环、硬保护片和软保护片，进一步加工处理得到成品。

本发明采用超硬材料与基体粉末在高温高压下直接焊接的方式来制备刀具，采用粉末与超硬材料焊接的好处是可以在高温高压下同步进行基体烧结和金刚石焊接的过程，这一过程中粉末可以更充分与超硬材料接触，从而提升基体与金刚石的结合强度，同时还可以省略基体的烧结过程，减少工艺步骤，降低刀具制造成本。

并且，本发明的焊接在高压下进行，高压可提高超硬材料如金刚石的热稳定性，如，在5GPa高压下金刚石的石墨化温度约为1400℃，相比于常压，提高了约500℃；因此，在高压下进行金刚石与基体的焊接既可实现金刚石聚晶层与硬质合金基体的高质量、高强度结合，又可避免对金刚石聚晶的损害,避免热响应程度大使金刚石氧化和石墨化，从而降低金刚石的物理、化学性能。

此外，本发明的焊接方法无需添加焊料，直接利用基体粉末中的粘结剂与超硬材料结合，从而可以消除焊料层对刀具性能的影响。

综上所述，本发明克服了现有焊接技术中存在的焊接强度低、易造成金刚石石墨化，以及焊料焊接会引入焊料层影响刀具热稳定性等问题。

作为本发明进一步的方案，所述超硬材料为金刚石或cBN，其中，所述金刚石包括不含有粘结剂烧结的聚晶金刚石、含有粘结剂烧结的聚晶金刚石、不含有粘结剂的CVD聚晶金刚石，所述cBN包括不含粘结剂烧结的聚晶cBN或含粘结剂烧结的聚晶cBN。

由于含有粘结剂的金刚石或cBN中的粘结剂与金刚石和cBN的热膨胀系数不同，这会导致在高温下粘结剂膨胀挤压金刚石和cBN晶粒，从而在两种样品内部产生裂纹，因此，优选不含有粘结剂的金刚石或cBN。

作为本发明进一步的方案，所述基体粉末材料包括碳化钨、cBN、碳化硅、氮化硅和碳化硼中的一种或多种，所述粘结剂包括铁、钴、镍、铝、铜、银和硅中的一种或多种，所述粘结剂含量为基体粉末材料质量的1-20％。

作为本发明进一步的方案，步骤(1)中，预压压强在10～1200MPa之间。

作为本发明进一步的方案，步骤(2)中，侧向支撑环材料选择铁、钴、镍、铝、氧化铝、氧化镁、cBN、金刚石、碳化硅或hBN。

作为本发明进一步的方案，步骤(2)中，包裹使用的金属为钽、铼或钼。

作为本发明进一步的方案，步骤(2)中，硬保护片采用氧化铝或氧化镁陶瓷材料。为了避免硬保护片与金刚石/cBN反应，需采用在2～20GPa，1000～3000℃下不与金刚石/cBN反应的陶瓷材料，例如氧化铝、氧化镁等。

作为本发明进一步的方案，步骤(2)中，软保护片材料采用氯化钠、氯化钾或氯化钙。软保护片需采用在高温高压下会熔融的材料。

作为本发明进一步的方案，步骤(2)中，焊接压力在2-20GPa，焊接温度在1000-3000℃，焊接时间在60-1200s。其中，烧结温度应该根据金刚石与cBN的高压稳定区进行调节，既要保证基体的良好烧结，同时也要保证基体粉末与金刚石、cBN良好结合，还要保证金刚石在该温度与压力下不会石墨化。

作为本发明进一步的方案，所述超硬材料具有缺损或凹槽；

对于焊接的是具有缺损的超硬材料，需要向缺损位置倒入含粘结剂的基体粉末预压，再进行焊接；

对于焊接的是具有凹槽的超硬材料，需要在超硬材料上激光加工出凹槽，将带凹槽的超硬材料放入模具中，向环形凹槽内倒入含粘结剂的基体粉末预压，再进行焊接。

为了进一步提升金刚石、cBN与基体的结合强度，可以在其表面加工出规则或不规则的凹槽，利用基体粉末填充凹槽后进行预压，由于基体与金刚石/cBN结合面不是平面，基体粉末嵌入金刚石/cBN内部，可以提升两者的结合强度，得到更高结合强度的刀具。普通商用焊接的刀具剪切强度为240-260MPa，采用带环形凹槽焊接的刀具的结合强度在320-400MPa之间。本发明通过测试发现每增加一条凹槽，采用粉末焊接的刀具结合强度就至少提升10MPa，这表明带有凹槽的样品所焊接的刀具中金刚石/cBN与基体的结合强度与样品上凹槽的数量呈线性关系。

另外，在行业上制备金刚石与cBN过程中会制备出部分缺损的样品，这类有缺损的样品普遍会被归类于劣质品，但采用粉末焊接时依然可以对这类缺损样品加以利用，不仅不会降低刀具性能，反而还能提升刀具与基体的结合强度。因此利用粉末基体焊接的方式可以提高样品的利用率，变废为宝。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明本采用超硬材料与基体粉末在高温高压下直接焊接的方式来制备刀具，采用粉末与超硬材料焊接的好处是可以在高温高压下同步进行基体烧结和金刚石焊接的过程，这一过程中粉末可以更充分与超硬材料接触，从而提升基体与金刚石的结合强度，同时还可以省略基体的烧结过程，减少工艺步骤，降低刀具制造成本。

2.本发明的焊接在高压下进行，高压可提高超硬材料如金刚石的热稳定性，如，在5GPa高压下金刚石的石墨化温度约为1400℃，相比于常压，提高了约500℃；因此，在高压下进行金刚石与基体的焊接既可实现金刚石聚晶层与硬质合金基体的高质量、高强度结合，又可避免对金刚石聚晶的损害,避免热响应程度大使金刚石氧化和石墨化，从而降低金刚石的物理、化学性能。

3.本发明的焊接方法无需添加焊料，直接利用基体粉末中的粘结剂与超硬材料结合，从而可以消除焊料层对刀具性能的影响，且基体与超硬材料结合焊缝窄，结合强度高。

4.本发明为避免基体粉末在高温高压下烧结塌缩使腔体内产生巨大应力梯度，造成超硬材料碎裂或在其内部产生很多微裂纹的问题，设置了侧向支撑环、硬保护片、软保护片来对超硬材料和基体粉末提供静水压环境与侧向支撑环境，避免了应力堆积，保障了焊接刀具的性能。

5.现有行业中利用块体基体材料与超硬材料进行焊接时，不规则的基体部分在高压组装中受到的压力不同会导致基体部分出现破损导致刀具焊接失败，所以不规则形状的刀具无法直接在高压组装中烧结，为了保证焊接的准静水压，现有的高压组装中样品部分都是圆形，只能烧结出圆柱形的刀具。本发明采用粉末基体与金刚石块体或cBN块体焊接，不仅仅适用于圆柱形刀具焊接，还可以将初始超硬材料加工成特定形状的刀具(如方形、椭圆形、锥台等)，相比于块状基体，粉末基体在高压下可以塌缩来抵抗异形组装中的非静水压，从而可以有效避免异形块状基体在高压下受到非静水压力后产生破裂的问题。异形刀具的焊接依赖于在高压组装中设置的侧向支撑环、硬保护片、软保护片来对超硬材料和基体粉末提供静水压环境与侧向支撑环境，从而焊接出性能优良的超硬刀具。

6.目前行业上对带缺损和带凹槽的超硬材料刀具的焊接方式研究不够深入，普遍带缺损样品都无法制备成刀具，利用粉末基体焊接带缺损的超硬材料反而可以提升超硬材料和基体的结合强度，变废为宝。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为本发明圆柱形待焊接组件的组装结构示意图；

图2为本发明异形待焊接组件的组装结构示意图；

图3为带环形凹槽的超硬材料结构图；

图4为实施例2有粘结剂PCD金刚石高温高压焊接后表面XRD图；

图5为实施例3无粘结剂CVD金刚石高温高压焊接后表面XRD图；

图6为实施例5无粘结剂烧结的聚晶金刚石高温高压焊接后表面XRD图；

图7为实施例6焊接后金刚石与基体部分焊缝扫描电镜图；

图8为实施例7无粘结剂烧结的聚晶cBN高温高压焊接后表面XRD图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-基体，2-侧向支撑环，3-超硬材料，301-凹槽，4-硬保护片，5-软保护片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例没有对待焊接件设置侧向支撑环、硬保护片和软保护片。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径10mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为1.1GPa，预压后密实度为65％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ10*8mm。

(2)再将Φ10*2mm厚的无粘结剂CVD金刚石放置于基体上，随后将基体与金刚石用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。在5.5GPa，1250℃的高温高压条件下进行粉末焊接工作。在高压组装中金刚石应放置在碳化钨基体的底部，从而让碳化钨中的粘结剂钴在高温下熔融后将碳化钨与金刚石进行高强度焊接。

(3)实验完成后取出包裹体进行切割抛光等工作，将粉末焊接的金刚石表面抛光并将刀具切割成Φ8*8mm的尺寸，随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的CVD刀具剪切强度为290MPa左右，其剪切强度高于高温高压下采用焊料焊接的金刚石刀具(280MPa)。

利用扫描电镜分析发现金刚石与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，金刚石与碳化钨中存在≤2μm的结合层，其结合层厚度远小于采用焊料焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于20μm)。

同时，对焊接后的金刚石进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例2

本实施例采用含有10％wt粘结剂的PCD金刚石。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径10mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为1.1GPa，预压后密实度为65％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ10*7mm。

(2)再将Φ8.2*2mm厚，含钴量10％wt的PCD金刚石片放置入Φ10*8.2*2mm的氧化铝侧向支撑环中并放置于基体上，随后将硬保护片(氧化铝片，Φ10*1mm)放置于金刚石与侧向支撑环上，并将上述组件用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。包裹的整体样品放置于高压组件后再于组装件的金刚石上再放置一层软保护片(氯化钠，Φ10*1.5mm)。整体组装好后放入压机中，施加5.5GPa，1200℃的高温高压条件。

(3)卸温泄压后取出整个焊接后的刀具并对其进行打磨抛光等工作，打磨抛光后的尺寸为Φ8*8mm。随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试，焊接后表面XRD图如图4所示。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的PCD刀具剪切强度为314MPa左右，其剪切强度高于高温高压下采用焊料焊接的金刚石刀具(280MPa)。

利用扫描电镜分析发现金刚石与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，金刚石与碳化钨中存在≤2μm的结合层，其结合层厚度远小于采用焊料焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于20μm)。

同时，对焊接后的金刚石进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例3

本实施例采用无粘结剂掺杂的CVD金刚石片。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径10mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为1.1GPa，预压后密实度为65％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ10*7mm。

(2)再将Φ8.2*2mm厚，无粘结剂掺杂的CVD金刚石片放置入Φ10*8.2*2mm的氧化铝侧向支撑环中并放置于基体上，随后将硬保护片(氧化铝片，Φ10*1mm)放置于金刚石与侧向支撑环上并将上述组件用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。包裹的整体样品放置于高压组件后再于组装件的金刚石上再放置一层软保护片(氯化钠，Φ10*1.5mm)。整体组装好后放置入压机中，施加5.5GPa，1250℃的高温高压条件。

(3)卸温泄压后取出整个焊接后的刀具并对其进行打磨抛光等工作，打磨抛光后的尺寸为Φ8*8mm。随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试，焊接后样品表面XRD图如图5所示。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的PCD刀具剪切强度为301MPa左右，其剪切强度高于高温高压下采用焊料焊接的金刚石刀具(280MPa)。

利用扫描电镜分析发现金刚石与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，金刚石与碳化钨中存在≤2μm的结合层，其结合层厚度远小于采用焊料焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于20μm)。

同时，对焊接后的金刚石进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例4

本实施例采用无粘结剂掺杂的烧结聚晶金刚石片，基体预压后密实度为65％。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径10mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为1.1GPa，预压后密实度为65％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ10*7mm。

(2)再将Φ8.2*2mm厚，无粘结剂掺杂的烧结聚晶金刚石片放置入Φ10*8.2*2mm的hBN侧向支撑环中并放置于基体上，随后将硬保护片(氧化铝片，Φ10*1mm)放置于金刚石与侧向支撑环上并将上述组件用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。包裹的整体样品放置于高压组件后再于组装件的金刚石上再放置一层软保护片(氯化钠，Φ10*1.5mm)。整体组装好后放置入压机中，施加5.5GPa，1330℃的高温高压条件。

(3)卸温泄压后取出整个焊接后的刀具并对其进行打磨抛光等工作，打磨抛光后的尺寸为Φ8*8mm。随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的PCD刀具剪切强度为324MPa左右，其剪切强度高于高温高压下采用焊料焊接的金刚石刀具(280MPa)。

利用扫描电镜分析发现金刚石与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，金刚石与碳化钨中存在≤2μm的结合层，其结合层厚度远小于采用焊料焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于20μm)。

同时，对焊接后的金刚石进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例5

本实施例采用无粘结剂掺杂的烧结聚晶金刚石片，基体预压后密实度为83％。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径11.8mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为725MPa，预压后密实度为50％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ11.8*10mm；用0.05mm厚的钽片将预压后的碳化钨基体包裹后放入六面顶压机高压组装中再次预压以提升基体密实度。利用六面顶压机施加5.5GPa的压力后得到密实度为83％的碳化钨粉末基体。将高压预压后的基体进行研磨后得到Φ10*7mm的碳化钨粉末预压基体。

(2)再将Φ8.2*2mm厚，无粘结剂掺杂的烧结聚晶金刚石片放置入Φ10*8.2*2mm的hBN侧向支撑环中并放置于基体上，随后将硬保护片(氧化铝片，Φ10*1mm)放置于金刚石与侧向支撑环上并将上述组件用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。包裹的整体样品放置于高压组件中，再于组装件靠近金刚石一侧再放置一层软保护片(氯化钠，Φ10*1.5mm)。整体组装好后放置入压机中，施加5.5GPa，1330℃的高温高压条件。

(3)卸温泄压后取出整个焊接后的刀具并对其进行打磨抛光等工作，打磨抛光后的尺寸为Φ8*8mm。随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试，焊接后样品表面XRD图如图6所示。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的PCD刀具剪切强度为349MPa左右，其剪切强度高于高温高压下采用焊料焊接的金刚石刀具(280MPa)。

利用扫描电镜分析发现金刚石与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，金刚石与碳化钨中存在≤2μm的结合层，其结合层厚度远小于采用焊料焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于20μm)。

同时，对焊接后的金刚石进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例6

本实施例采用含钴量10％wt的PCD金刚石片，并带有凹槽。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径11.8mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为725MPa，预压后密实度为50％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ11.8*10mm；用0.05mm厚的钽片将预压后的碳化钨基体包裹后放入六面顶压机高压组装中再次预压以提升基体密实度。利用六面顶压机施加5.5GPa的压力后得到密实度为83％的碳化钨粉末基体。将高压预压后的基体进行研磨后得到Φ10*7mm的碳化钨粉末预压基体。

(2)再将经过激光加工过的带环形凹槽的Φ8.2*2mm厚，含钴量10％wt的PCD金刚石片(激光加工凹槽深度0.5mm，单个凹槽的宽度为0.3mm，在Φ8.2的圆形面积上加工4-5条同心圆凹槽)，带凹槽金刚石的结构如图3所示。将金刚石放置入Φ10mm直径的模具中并添加YG10碳化钨粉末进行预压，利用碳化钨粉末填充金刚石表面的凹槽，预压压强为1.1GPa。预压后去除金刚石周围的碳化钨，只保留凹槽中的碳化钨，并将预压后填充了碳化钨粉末的金刚石放入Φ10*8.2*2mm的氧化铝侧向支撑环中并放置于基体上，随后将硬保护片(氧化铝片，Φ10*1mm)放置于金刚石与侧向支撑环上并将上述组件用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。包裹的整体样品放置于高压组件中，再于组装件靠近金刚石一侧再放置一层软保护片(氯化钠，Φ10*1.5mm)。整体组装好后放置入压机中，施加5.5GPa，1200℃的高温高压条件。

(3)卸温泄压后取出整个焊接后的刀具并对其进行打磨抛光等工作，打磨抛光后的尺寸为Φ8*8mm。随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的PCD刀具剪切强度为392MPa左右，其剪切强度高于高温高压下采用焊料焊接的金刚石刀具(280MPa)。

如图7所示为焊缝扫描电镜图，其中a为100倍的扫描电镜图(箭头所在为焊接处)，b为3000倍的扫描电镜图。

从图7可以看出，金刚石与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，金刚石与碳化钨存在≤2μm的结合层,结合层最大宽度为2μm，其结合层厚度远小于采用焊料焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于20μm)。

同时，对焊接后的金刚石进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例7

本实施例采用无粘结剂掺杂的烧结聚晶cBN片，并带有凹槽。具体方法包括以下步骤：

(1)市购YG10碳化钨粉末(晶粒尺寸1μm，钴粘结剂含量10％wt)，利用内径11.8mm的模具将碳化钨粉末进行预压，其中碳化钨粉末所受预压压力为725MPa，预压后密实度为50％，预压后碳化钨基体尺寸为Φ11.8*10mm；用0.05mm厚的钽片将预压后的碳化钨基体包裹后放入六面顶压机高压组装中再次预压以提升基体密实度。利用六面顶压机施加5.5GPa的压力后得到密实度为83％的碳化钨粉末基体。将高压预压后的基体进行研磨后得到Φ10*7mm的碳化钨粉末预压基体。

(2)再将Φ8.2*2mm，无粘结剂掺杂的烧结聚晶cBN片放置入Φ10*8.2*2mm的hBN侧向支撑环中并放置于基体上，随后将硬保护片(氧化铝片，Φ10*1mm)放置于cBN与侧向支撑环上并将上述组件用0.05mm厚的钽、铼、钼等高熔点金属进行包裹。包裹的整体样品放置于高压组件中，再于组装件靠近金刚石一侧再放置一层软保护片(氯化钠，Φ10*1.5mm)。整体组装好后放置入压机中，施加5.5GPa，1500℃的高温高压条件。

(3)卸温泄压后取出整个焊接后的刀具并对其进行打磨抛光等工作，打磨抛光后的尺寸为Φ8*8mm。随后对焊接的刀具进行剪切强度、扫描电镜等测试，样品表面XRD图如图8所示。

经过剪切强度测试发现，利用粉末焊接的PcBN刀具剪切强度为362MPa左右，其剪切强度远高于采用钎焊的PcBN刀具。

利用扫描电镜分析发现PcBN与碳化钨基体结合处紧密，在两层结合处无焊料过渡层，PcBN与碳化钨中存在≤2μm的结合层，其结合层厚度远小于采用钎焊焊接的刀具中的结合层厚度(大于等于50μm)。

同时，对焊接后的PcBN进行硬度测试发现其硬度与焊接前的硬度相比无明显改变；同时碳化钨端硬度测试发现其硬度与市购烧结后的YG10碳化钨块体硬度无明显区别。

实施例8

本实施例对前述实施例2-7涉及的待焊接组件的组装结构进行说明。

如图1所示为圆柱形刀具的组装结构示意图，如图2所示为异形刀具的组装结构示意图，其结构组成相同，包括：基体1、侧向支撑环2、超硬材料3、硬保护片4和软保护片5。其中，所述基体1设置在最下层，所述侧向支撑环2包裹在超硬材料3外侧，所述侧向支撑环2和超硬材料3均放置在基体1上，所述硬保护片4设置于侧向支撑环2和超硬材料3上，所述硬保护片4上以及组装件的外侧还设置有一层软保护片5。优选地，如图3所示，所述超硬材料3上还开设有凹槽301，所述基体1嵌入凹槽301内。

上述待焊接组件的组装结构在进行高温高压焊接后，需要去除侧向支撑环2、硬保护片4和软保护片5，进一步加工得到基体1与超硬材料3的焊接成品。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (5)

1.一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）向基体粉末材料中添加粘结剂，充分混料均匀后进行预压以提升其密实度，预压后的基体密实度应保持在60%以上；所述基体粉末材料包括碳化钨、cBN、碳化硅、氮化硅和碳化硼中的一种或多种，所述粘结剂包括铁、钴、镍、铝、铜、银和硅中的一种或多种，所述粘结剂含量为基体粉末材料质量的1-20%；

（2）去除超硬材料表面的杂质，将除杂后的超硬材料用侧向支撑环包裹并放置于基体上，再将硬保护片放置于超硬材料与侧向支撑环上，将形成的组件用高熔点金属进行包裹，使其不与外部材料相接触，接着在组件上方和侧面放置软保护片，整体组装好后进行高温高压焊接；侧向支撑环材料选择铁、钴、镍、铝、氧化铝、氧化镁、cBN、金刚石、碳化硅或hBN，包裹使用的金属为钽、铼或钼，硬保护片采用氧化铝或氧化镁陶瓷材料，软保护片材料采用氯化钠、氯化钾或氯化钙；

（3）泄温泄压后将焊接得到的刀具坯体取出，去除侧向支撑环、硬保护片和软保护片，进一步加工处理得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，所述超硬材料为金刚石或cBN，其中，所述金刚石包括不含有粘结剂的聚晶金刚石、含有粘结剂的聚晶金刚石、不含有粘结剂的CVD聚晶金刚石，所述cBN包括不含粘结剂的聚晶cBN或含粘结剂的聚晶cBN。

3.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，步骤（1）中，预压压强在10~1200MPa之间。

4.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，步骤（2）中，焊接压力在2-20GPa，焊接温度在1000-3000℃，焊接时间在60-1200s。

5.根据权利要求1所述的一种在高温高压下利用粉末基体焊接超硬材料的方法，其特征在于，所述超硬材料具有缺损或凹槽；

对于焊接的是具有缺损的超硬材料，需要向缺损位置倒入含粘结剂的基体粉末预压，再进行焊接；

对于焊接的是具有凹槽的超硬材料，需要在超硬材料上激光加工出凹槽，将带凹槽的超硬材料放入模具中，向环形凹槽内倒入含粘结剂的基体粉末预压，再进行焊接。