钎焊复合压制品工具及其制造方法

专利名称:钎焊复合压制品工具及其制造方法
本申请书涉及到普通转让申请书，序列号No.06/624，064，(其申请日期是1984年6月25日)，现在是美国专利No.4，527，998，它的公开内容特在这里插入引证。
本发明涉及到装有研磨粉粒压制品(abrasive particle compacts)的工具，并更具体地介绍装用这种压制品的钻孔和切割工具和制造这种压制品工具的方法。这种研磨粉粒压制品工具已专门用于油、气勘探钻头和采矿运用中。
这种研磨粉粒压制品是一种把诸如钻石和(或)立方形一氮化三硼的研磨粉粒粘合在一起的多晶体物质而形成一种整体的、耐磨的、高强度的物质。上述组成部分能以粉粒间的自结合(self-bonded)关系，利用一种配置在各粉粒之间粘合剂或利用它们的混合物而粘合在一起，例见美国专利No.3，136，615;3，141，746和3，233，988。一种被支住的研磨粉粒压制品在这里称之谓复合压制品的是一种粘合在诸如烧结碳化钨基质材料上的研磨粉粒压制品。这种类型的压制品在例如美国专利Nos.3，743，489;3，745，623和3，767，371中被描述过。这种粘合到基质材料的过程可以或者在研磨粉粒压制品形成期间或者在其形成以后完成。
复合压制品已专门用作钻头中的切割元件。这些压制品可通过各种工艺直接附着在钻头的齿冠上。美国专利No.4，156，329建议将预先镀有锡膜的压制品钎焊到在钻头齿冠中形成的凹口中。美国专利No.4，186，628建议通过将压制品放在一个铸模中，把铸模的齿冠部份放满粉末，并将一种低温黄铜渗流入铸模以形成包含嵌入里面的压制品的齿冠。美国专利No.4，098，362建议象后者所建议的那样，钻头中的切割元件的前倾面角度应置于-10°至-25°之间。
换句话说，复合压制品能被固定在延长的螺栓上或衬底上，再把螺栓附装到钻头齿冠上。螺栓可对钻头齿冠提供较大的附装面积。它还对研磨粉粒压制品提供较大的支撑力量，从而增加了它的耐冲击性。复合压制品可象美国专利No.4，200，159中所述用正圆柱体结构附装到螺栓上，也可像美国专利No.4，265，324所示用一种倾斜的结构附装到螺栓上。
虽然将复合压制品附装到螺栓或衬底的有利点是很明显的，但在实际附装过程中已遇到各种问题;特别是，人们已经注意到诸如在美国专利No.3，745，623中所述，并以商标compax和Syndite大量供应的复合压制品的研磨部份是自结合的和金属渗透的在超过700℃温度环境下易受热损坏(这里所述的自结合指的是研磨粉粒直接地被互相粘合)。这种损坏被认为是研磨粉粒和金属相的热膨胀速率的差异所致。在高温下，还有粉粒本身由于碳化或氧化而破坏的危险。这种破坏情况对所有类型的研磨粉粒压制品是都要考虑到的。因此，最初使用液态温度低于700℃的黄铜合金来使复合压制品附装在螺栓或衬底上。遗憾的是，人们发现这种低温黄铜合金，由于其熔合强度较低而在市场上只有有限的适用范围。
在美国专利Nos.4，225，322和4，319，707中Knemeyer在将复合压制品附装到衬底的方法上做出了主要突破。Knemeyer方法使在衬底上附装复合压制品时能使用高温黄铜合金。这种高温黄铜合金本身又可提供很高的溶合强度。虽然Knemeyer方法和设备允许使用高温黄铜合金，但在选择合适的一种中，又产生了困难。例如，在Knemeyer专利中最初建议的Anaconda 773填充金属，现在被认为会与被连接的碳化物另件起不希望有的反应。
黄铜合金不仅须适于将复合压制品支架连接到衬底，而且须能经得住以后的加工和操作条件，因此使黄铜合金材料的选择工作变得复杂化了。例如，一种普通的制作方法包括首先将钎焊工具镀锡，再将该预先镀锡的工具炉钎焊(furnace brazing)到钻头齿冠上所切割成的凹口中去，其焊接方式如美国专利No.4，156，329(上面引用过)。利用先前的黄铜合金材料焊成的黄铜接头已难于经得住这种镀锡和炉钎焊的操作工序。由于在这些工序进行期间对熔合强度的要求是特别严格的，因为该熔合被认为在紧接初始钎焊过程后要经受拉伸应变。最后，为工作于一般钻探环境，黄铜合金接头必须设计成能在氧化气氛下经得住高达400℃左右的温度并能经受正如遇到掺杂形成物(heterogeneous formation)的情况时的连续冲击负荷。
本发明面向一种包括被用钎锡填充金属钎焊到衬底上去的复合压制品的工具的，这种钎焊填充金属的液态温度基本上是高于700℃。该工具的改进部份包括有一个填充金属，其合金成份包括以下重量成份范围宽广范围 最佳范围钯Pd 20-80% 28-32%铬Cr 2-13% 6-13%硼B 1-4% 1-3.5%镍Ni 剩下的 剩下的本发明的另一方面是用前述的钎焊合金将复合压制品的支架连接到衬底。该压制品最好选自多晶体的立方体一氮化三硼和钻石的复合压制品。支架和衬底可有利地包括一种选自由烧结的碳化钨，碳化钛，碳化钨钼和碳化钽组成的族中的材料，其中对碳化物的金属熔合材料是选自由钴、镍、铁及其混合物组成的族中的材料;一种组成一种稳定氮化物或硼化物的元素金属(elemental metal);以及一种组成稳定的氮化物或硼化物的金属合金。最好，衬底和支架二者都是同一类碳化物材料，但不一定是同样硬度等级的。
本发明的优点包括形成一种拥有改善了熔合强度的合金熔合。另一优点是对以后加热应用到诸如镀锡、炉钎焊等工作条件及其组合条件是稳定的。另一优点是合金熔合的可靠度和再生性大为改善。根据这里所含的公开的资料，这些优点和其他优点对那些本领域的技术人员来说是显而易见。
图1是根据本发明特征的元件的部份透视图。
图2是用于根据本发明制造元件的设备原理图，以及图3是用以测试如例1所述的、已经改进的一种测试的夹紧装置示意图。
结合以下说明将详细描述各附图。
图1示出本发明的一个实施例中的工具11。该工具11包括有一个复合压制品13，一个螺栓或衬底15以及配置于中间的并沿着界面16将基质材料15熔接到压制品13的一层薄而连续的填充金属17(为了说明起见而不按比例地以较大形状示出)。该元件的外形可以变更以适合特殊用途，即界面16可以与衬底15的主体成某一角度。
复合压制品13是由多晶体粉粒物质或一层粘合的研磨粉粒19和支架或基层21所组成，该底层最好是沿着界面23而粘合到压制品19的烧结碳化物。压制品19的被粘合的研磨粉粒可以是钻石和/或立方体一氮化三硼。碳化物支架21在其对侧也备有配置面25。在一个最佳实施例中，压制品13的层19是由至少70%体积的钻石而最好超过90%的钻石所组成的，正如美国专利No.3，745，623中详述的其钻石状态处于钻石到钻石的自结合状态。剩下的30%或更少主要由粘结料-最好是钴(或合金)烧结碳化物质21所组成，渗入层19的该物质21在高温/高压制造过程期间，被作为第二相而渗入钻石第一相。在另一个实施例中，压制品13可由一层硬相一氮化三硼19组成，该层是按照美国专利Nos.3，743，489或3，767，371构成的。虽然在这些参考资料中只公开了立方体一氮化三硼，但硬的六方晶体形状可完全或部份地取代立方体形状。
衬底15最好包括有烧结碳化物和最好是与支架21是同一种碳化物。烧结碳化钨是更可取的，特别是在钻头应用上，因为它有高的硬度和耐冲击性。填充金属17是一种高温、高强度的钎焊填充金属，其液化温度大于700℃。这个温度一般被认为是自结合钻石和一氮化三硼的复合压制品(它在研磨层19中具有第二金属相)的破坏(degradation)界限。本发明的高强度钎焊合金拥有以下额定(重量)成份钯Pd 28-32%铬Cr 6-13%硼B 1-3.5%镍Ni 剩下的钎焊合金被在美国专利No.4，414，178中所说明并限定以权利要求
范围，在这里特插入它的公开说明以供参考。这种合金在这个参考文献中被描述为能的在1800°至2000°F(982°至1093℃)温度范围内进行钎焊。美国专利No.4，414，178教导采用的钎焊合金在制造飞机燃汽涡轮轮部件中是很有用的，但并未建议用钎焊合金来粘结金属碳化物，很少用来将支承式复合多晶体压制品粘结到在这里所公开的衬底上。一种被在若干例子中测定的有用的钎焊合金拥有以下额定的(重量)成份镍Ni 58.7%钯Pd 30%铬Cr 8.3%硼B 3%
这种特有的钎焊合金成份不打算在两块被连接的碳化物块之间提供良好的熔合，而要在经受正常制造程序以后和在使用期间可保持其有用。该合金在接合点中均匀地分布着，并在迄今的试验中未曾见过会与烧结碳化钨支架或衬底或它的任何元部件存在不希望有的相互作用。此外，这种钎焊合金可提供先前推荐使用的填充金属所未曾达到过的可靠性和再生性。
正如提到过的在美国专利No.4，225，322和4，319，707中提出的Anaconda 773填充金属(铜50%，锌40%，镍10%，熔点范围在950°-960℃)，现在被认为易于与被连接的碳化物块起不希望有的反应，并且还不能在为复合压制品元部件考虑所用的更高温度下提供合适的熔合强度。另一种先前推荐的钎焊填充金属是BAg-1。(ASW-ASTM分类)，它是一种甚至在Anaconda 773填充金属所需温度以下提供钎焊熔合强度的低温钎焊填充金属。另一种已被推荐的钎焊填充金属是TiCuSil(钛4.5%，铜26.7%，剩下的是银，熔点范围为840°-850℃)。然而TiCuSil钎焊得并不好，除非要在真空或惰性气体气氛下进行钎焊。
反之，在本发明中所使用的钎焊合金却未曾显现出这些缺点，并且可在室温下提供初始的良好的熔合强度。此外，这种熔合力可在复合压制品元部件的制造与使用时所需的高温场合下基本上维持住。正如由抗剪强度所测定的那样该熔合强度与在极限(potent ial end)工作温度(约为200°-400℃或甚至至少大约高达600℃)下的其他合金测试的熔合强度进行对比来说是特别良好的。这又是与先前的钎焊填充金属相反，先前的填充金属虽已具备了初始室温下的熔合强度;但当在制造或操作中重新加热期间遇到升高的温度范围时，就不会象本发明的钎焊合金同样程度地维持其熔合力。
在使用这里所公开的钎焊合金中的另一意想不到的优点是上述熔合力的再生性。迄今为止的测试已表明没有一个用这种公开的合金成份进行了钎焊的复合压制品元部件会因不能满足熔合力的设计技术要求而需要排除掉的。钎焊合金在这种应用中所提供的良好的熔合力和可靠性，对这样复杂配料的钎焊合金成份来说也是意想不到的。这些实例将证明这种钎焊合金的有效性。
在实现本发明过程中钎焊合金被加热到其固线温度以上。正如上面指出那样，这对于一般在现行钻头应用中采用的自熔合、有第二相金属渗流的复合压制品来说，当然是超过一般公认的破坏温度，700℃。甚至在热稳定更好的压制品情况下，例如在美国专利Nos.4，288，248和4，151，686中所述，认为在层19中应当避免不必要地升高研磨粉粒温度。因此，在本发明的实践中推荐采用一种例如在美国专利Nos.4，225，322和4，319，707中所述的方法与设备。
参考美国专利No.4，319，707的设备，如图2所示，一种制造部件11的设备51包括有框架部分52，在该框架上装有一对气压唧筒(pneumatic cylinders)53和55，用以压紧与一个感应线圈组件58相关联、正在进行钎焊的部件11。气压唧筒53包括有一个带有一个压头61的冲杆(plunger)59，用以顶住复合压制品13的一端。压头61可被刻有凹口以帮助压制品13对准衬底15。换一种做法，可以不刻凹口而用另一种方法，例如用一个陶瓷套筒(未示出)以便在钎焊以前维持部件的应有的对准状态。压头61还由传统结构的冷却剂源，67经过管子65提供一种冷却剂-最好是水。压头61同冷却剂源67一起在将压制品13钎焊到衬底15期间，对钻石层19起到一个热沉的作用。最好是将一种可变形的导热材料，例如铜盘，放在压制品13的钻石层19和压头61之间以改善从层19到压头61的导热率。
同样，气压唧筒55包括在其一头固定有一个压头71的冲杆69。一个杯状陶瓷绝缘体78被放置于压头71上，以便为了在钎焊操作期间阻止衬底将热散给压头71而支承在衬底15的一端18。压头71还通过管子65与冷却剂源67互相连接。
气压唧筒53和55均被对应地经过控制阀77和79而供有来自空气源66的压缩空气。冲杆59和69在伸展时将元件11与被支柱83和85支承在支架52上的感应线圈组件58定位于同轴的位置上。用于组件58的第三支柱未在图上示出。未在图上示出的还有线圈的组合结构。线圈85与作为电源的射频发生器93互相接通。对于线圈组件的详细结构可参考美国专利Nos.4，225，322和4，319，707。应当指出在钎焊操作期间，如果需要的话钻石层19的温度可通过传统的有触觉或无触觉装置(tact ide and non-taclile means)以传统的方式进行监控。例如，为了保证冷却剂源正常工作而要防止钻石层19的温度超过会发生热损坏的温度极限值，可使用热电偶、纤维光学及其他传感器作为保护措施。这种监控作用例如可通过在压头61的垂直中心钻一个孔以便感受同钻石层19的接触而对其温度进行监控。在这方面，现已发现这种一般用于钻孔用途的压制品的上述自结合、第二相渗透的钻石层19显然能经得住700℃以上的短时温度偏离(猝发)，正如下列实例所表明的那样，没有产生通常加热超过700℃便会产生的任何明显热破坏的迹象。
下面各例表明本发明是怎样实施的，但不应认为是限制。在本申请书中，所有的百分数和成份，除非特别指明，都是以重量表示，而所有的单位都用公制。并且所有在这里引用的参考文献都特地在这里插入以供参考。
例1十个具有钴烧结碳化钨支持层(2530-NC Stratapax钻坯制品，通用电气公司，Worthington，Ohio)的自结合、金属渗透的多晶体钻石压制品被按照美国专利Nos.4，225，322和4，319，707所公开的方法与设备而粘合到13.4毫米正圆筒形钴钨硬质合金55B级的用钴烧结碳化钨衬底上去，但有以下例外外情况第一，所用的粘结合金径分析并确定为如下成份(重量百分比)镍 58.64±0.7%钯 30.04±0.1%铬 8.26±0.7%硼 剩下部分因此，这种钎焊合金被包括在美国专利No.4，414，178中。第二，使用一个铜盘以在钻石层19和压头61之间进行导热。最后，像上面指出那样地监控钻石层19的温度。
粘结过程是通过对支架和衬底间的界面区进行加热约11秒钟而完成的。供到热感应线圈的电能可调节得使钻石盘面的峰值温度估计为达到840℃左右。随意选择5个样品并须使用改进的夹紧装置，运用一个传统的负荷测试机进行抗剪强度的测试。更确切地说，该测试机在结构上是一般的，但所不同的是用如图3以101概括示出的无夹头的夹紧工具，它是由一个上部103和一个同样的下部105所组成的。区域107和109对应地是为了降低出自夹紧部份103和105的热损耗的无效区(void areas)。感应线圈组件115环绕夹紧部份103和105，并使工具样品111可在加上剪切试验所用的力期间进行加热。工具样品111被夹持在如图3所示的上、下夹紧部份103和105内所组成的凹口中。此外，每个凹口有一个开口，从那里延伸到外面，以便插入一个用以检测钻石盘面在抗剪切力试验期间所得温度的热偶113。之所以有必要设计这种夹紧装置是因为对该种机器的标准的有夹头的夹紧装置在剪切力试验过程中不允许使用感应线圈组件115。
先测试一组粘合成的5个工具样品，然后再将剩下5个粘合工具加热以模拟炉钎焊。在本例中的炉钎焊包括了一种对该种部件进行从室温到700℃的线性斜升加热约1小时后，再使该部件维持在700℃约15分钟。正如上面指出过，炉钎焊是一种用以将部件附装到钻头齿冠上去的传统方法。由钎焊合金形成的熔合必须能经得住这样的传统的炉钎焊条件，因为它们是经常在使用中采用的。下表列出各个样品及其准备条件。
表1样品号 最高钻石温度(℃) 加热时间(sec) 炉钎焊1 855 11.0 -2 850 10.5 是3 854 13.2 是4 858 12.8 -5 861 11.8 -6 853 10.7 是7 855 11.8 是8 854 10.6 -9 859 11.2 -10 855 10.3 是所有十个样品都通过了以最大测试负荷为57Kn/cm2的剪切力试验(即没有一个是不合规格的)。通常，熔合强度约大于35Kn/cm2就可认为是所希望的，以便让这种熔合强度无疑地足以能在钻头和其他用途上使用。这些测试结果清楚地说明本发明的钎焊合金的熔合强度超过了最低的熔合强度。特别有意义的事实是即使在升高温度的炉钎焊循环以后也保持该熔合强度。尽管这种熔合一般在初始钎焊以后经受张力负荷，熔合强度能被维持的;在利用先有技术的钎焊材料的这种钎焊后处理过程以后，这种张力负荷被认为会导致相当高的损坏率的。
例2例1的样品8经受升高温度时的抗剪强度测量，这种情况在钻孔和其他利用这种钎焊工具的操作时被予料会碰到的。第一循环在大约592℃时进行，而样品8在最高测试负荷为32.26Kn/cm2时未损坏。其后，样品8在大约604℃下经受第二循环而约在32.24Kn/cm2时损坏。
已经被炉钎焊的样品7，也经受大约600℃下的抗剪强度测量。样品7对32.26Kn/cm2的测试合格。炉钎焊操作对该样品没有明显的影响。
这些测试结果证明了升高温度下的优良的熔合强度。也表明了拥有本发明的钎焊合金的炉钎焊的容许极限。
虽然本发明的纤焊工具已结合具体例子和实施例进行了说明，但是本领域的专业人员们将理解到能不偏离本发明宽广范围的各种改变和改进方案。
权利要求
1.钎焊工具，特征在于包括一种复合压制品，该压制品拥有一种合到一个支架的研磨粉粒层和一种被配置于其间的钎焊填充金属粘合到上述支架的衬底，这种钎焊金属是一种具有液态温度基本上在700℃以上，并且有以下(重量)成份的合金钯 20-80%铬 2-13%硼 1-4%镍 其余部分%
2.权利要求
1的钎焊工具，其特征在于，所述合金具有以下额定(重量)成份钯 28-32%铬 6-13%硼 1-3.5%镍 其余部份
3.权利要求
1的钎焊工具，其特征在于，所述合金具有以下额定(重量)成份镍 58.7%钯 30%铬 8.3%硼 3%
4.权利要求
1的钎焊工具，其特征在于，所述支架和所述衬底是烧结碳化物。
5.权利要求
4的钎焊工具，其特征在于，所述支架和所述衬底二者都是选自包括碳化钨、碳化钛、碳化钨钼以及碳化钽的族中的金属粘合的碳化物，其中提供金属熔合的金属是选自包括钴、镍、铁及其混合物的族中的。
6.权利要求
4的钎焊工具，其特征在于，所述支架和所述衬底是钴钨硬质合金。
7.权利要求
1的钎焊工具，其中所述研磨粉粒层包括一种具有一种渗过的金属第二相的自粘合的多晶体钻石压制品。
8.权利要求
7的钎焊工具，其中所述第二相包括钴。
9.权利要求
1的钎焊工具，其特征在于，所述研磨粉粒层包括一种具有一种渗过的金属第二相的自粘合的、多晶立方体的氮化硼压制品。
10.用于制造包括一种由烧结碳化物支持的复合压制品(该压制品具有一层、带有金属第二相渗过的自粘合的研磨粒子)的钎焊金属工具的方法，其特征在于，所述压制品的支架通过一种具有液态温度大致高于700℃，并高于所述压制品的热损坏温度的钎焊填充金属而被粘合到一种烧结的碳化物衬底上去，这种方法包括一将所述压制品支架钎焊到所述衬底，同时将研磨粉粒层置于与热沉进行热接触，特征在于包括利用以下重量成份的钎焊合金钯 20-80%铬 2-13%硼 1-4%镍 其余部份%
11.权利要求
10的改进方法，其特征在于，上述支架被用一种具有以下额定重量成份的钎焊合金钎焊到所述衬底上去钯 28-32%铬 6-13%硼 1-3.5%镍 其余部份
12.权利要求
10的改进方法，其特征在于所述支架被用一种具有以下额定重量成份的钎焊合金钎焊到所述衬底上去镍 58.7%钯 30%铬 8.3%硼 3%
13.权利要求
10的改进方法，其特征在于，所述烧结碳化物支架和所述烧结碳化物衬底二者都是选自包括碳化钨、碳化钛、碳化钨钼以及碳化钽的族中的金属粘合的碳化物;其中提供金属熔合的金属是选自包括钴、镍、铁及其混合物的族中的。
14.权利要求
10的改进方法，其特征在于，所述复合压制品的研磨粉粒层包括一种金属渗过的、自粘合的多晶体钻石压制品。
15.权利要求
10的改进方法，其特征在于，所述复合压制品的研磨粉粒层包括一种金属渗过的、自粘合的、多晶立方体的一氮化三硼的压制品。
专利摘要
一种改进的工具，它包括一种被用一种具有液态温度大致超过700℃的钎焊填充金属钎焊到一种烧结碳化物衬底上去的由烧结碳化物支承的复合研磨粉粒压制品。该复合压制品最好是一种复合多晶体钻石压制品。其钎焊填充金属是一种具有以下重量成分的钎焊合金钯 20-80％铬 2-13％硼 1-4％镍 其余部分
文档编号E21B10/46GK86104661SQ86104661
公开日1986年12月31日 申请日期1986年7月5日
发明者罗伯特·拉尔夫·施罗德 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan