一種超硬材料與金屬基體材料復(fù)合的方法，其特征在于：該復(fù)合方法包括如下工藝步驟： 步驟１：制作形狀記憶合金容器，并對其進(jìn)行定型處理，使其內(nèi)部空間小于超硬材料的輪廓尺寸； 步驟２：對形狀記憶合金容器進(jìn)行擴張?zhí)幚恚瑢⒊膊牧现萌胄螤钣洃浐辖鹑萜鲀?nèi)； 步驟３：激發(fā)該容器的形狀記憶效應(yīng)，使該形狀記憶合金容器箍緊超硬材料，兩者形成復(fù)合體； 步驟４：將復(fù)合體過盈配合鑲固在金屬基體上。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及一種超硬材料與金屬基體材料復(fù)合的方法，特別是一種通過形狀記憶合金管套將超硬材料柱體包裹后鑲固在金屬基體上的方法，可應(yīng)用在石油鉆探工具方面，屬于石油鉆井工具
技術(shù)介紹
超硬材料通常指的是金剛石類材料，例如天然金剛石、人造聚晶金剛石PCD、聚晶金剛石復(fù)合塊PDC和孕鑲金剛石燒結(jié)塊以及立方氮化硼CBN等具有極高的硬度和耐磨性的材料。超硬材料與金屬材料，尤其是鋼復(fù)合可以制成綜合性能極佳的各種超硬耐磨工具。目前廣泛應(yīng)用于石油鉆探工具、地質(zhì)勘探、采礦工程、切削刀具、磨具及特殊耐磨件等領(lǐng)域。現(xiàn)有技術(shù)中一般采用無壓浸漬燒結(jié)法或釬焊法，將超硬材料和合金鋼連接在一起。上述的這些方法，實現(xiàn)起來工藝復(fù)雜，成本較高，而且燒結(jié)焊接過程中的高溫加熱會明顯降低超硬材料和金屬基體的綜合性能。現(xiàn)有技術(shù)中還有采用過盈配合的方式將碳化鎢硬質(zhì)合金齒鑲固在鋼基體上的方法，但該方法對硬質(zhì)合金齒柱的加工精度要求很高，一般需要采用磨削加工才能達(dá)到最終裝配尺寸。但對于高溫壓制的金剛石聚晶或立方氮化硼聚晶來說，由于其形狀和尺寸的誤差較大，無法直接用過盈配合的方法鑲固在金屬基體上，只能采用磨削加工的方法，使其達(dá)到最終裝配尺寸。而這種超硬材料的磨削加工難度大、時間長、成本高，所以工業(yè)應(yīng)用上難以直接將超硬材料柱體鑲固在金屬基體上。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種超硬材料與金屬基體材料復(fù)合的方法，工藝簡單，成本低，加熱溫度低，不影響超硬材料和金屬基體材料本身的性能。本專利技術(shù)的另一目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供超硬材料與金屬基體材料復(fù)合的方法，可緩沖外界載荷的沖擊應(yīng)力，避免應(yīng)力集中和脆性破碎。本專利技術(shù)的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種超硬材料與金屬基體材料復(fù)合的方法，該復(fù)合方法包括如下工藝步驟步驟1制作形狀記憶合金容器，并對其進(jìn)行定型處理，使其內(nèi)部空間小于超硬材料的輪廓尺寸；步驟2對形狀記憶合金容器進(jìn)行擴張?zhí)幚恚瑢⒊膊牧现萌肫渲校徊襟E3激發(fā)該容器的形狀記憶效應(yīng)，使該形狀記憶合金容器箍緊超硬材料，兩者形成復(fù)合體；步驟4將復(fù)合體過盈配合鑲固在金屬基體上。步驟1中形狀記合金容器壁厚范圍為0.5-5mm，容器內(nèi)部尺寸比超硬材料輪廓尺寸小2％-15％。步驟2中擴張?zhí)幚頌闉樵谑覝鼗虻蜏叵聶C械擴張該形狀記憶合金容器的容積，使形狀記憶合金容器內(nèi)部尺寸大于超硬材料的輪廓尺寸。形狀記憶合金容器的形狀為管套，置入其中的超硬材料的形狀為圓柱體。上述的激發(fā)為對容器本體進(jìn)行加熱處理。在步驟4之前還進(jìn)一步包括對復(fù)合體的外部進(jìn)行磨削加工，使其達(dá)到裝配尺寸。過盈配合中的過盈量為0.02-0.20mm。在復(fù)合體底部和金屬基體之間還設(shè)有用于減震的記憶合金墊片，該墊片的厚度范圍為0.5-5mm。超硬材料為天然金剛石或者人造聚晶金剛石PCD或者聚晶金剛石復(fù)合塊PDC或者孕鑲金剛石燒結(jié)塊或者立方氮化硼CBN。形狀記憶合金容器的材質(zhì)為NiTi二元合金或者NiTiNb三元合金或者NiTiCu三元合金或者Fe-Mn-Si系合金或者Cu基合金。上述的超硬材料與金屬基體材料復(fù)合方法可以具體應(yīng)用在石油鉆探工具上，制成超硬耐磨的石油鉆具穩(wěn)定器和鉆頭等。采用上述方法，將一個以上超硬材料柱體用形狀記憶合金管套包裹后，過盈配合鑲嵌到鉆具穩(wěn)定器的鋼基體上的齒孔中，形成表面耐磨層。采用上述方法，將一個以上超硬材料柱體用形狀記憶合金管套包裹后，過盈配合鑲嵌到鉆頭表面的齒孔中，形成高硬度、高耐磨性的鉆頭牙齒，提高鉆頭的耐磨性。本專利技術(shù)的主要優(yōu)點是工藝簡單，成本低，加熱溫度低，不影響超硬材料和金屬基體材料本身的性能，可以很好地解決超硬材料柱體和金屬基體的結(jié)合問題。同時，由于形狀記憶合金的超彈性與高阻尼減震特性，可緩沖外界載荷的沖擊應(yīng)力，避免應(yīng)力集中和脆性破碎。附圖說明圖1為本專利技術(shù)形狀記憶合金管套結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)形狀記憶合金管套擴孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)形狀記憶合金管套內(nèi)放入超硬材料后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專利技術(shù)復(fù)合體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本專利技術(shù)復(fù)合體鑲固在金屬基體上的結(jié)構(gòu)示意圖之一；圖6為本專利技術(shù)復(fù)合體鑲固在金屬基體上的結(jié)構(gòu)示意圖之二；圖7為本專利技術(shù)鑲嵌金剛石聚晶柱體的鉆具穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖7中A-A剖面的局部放大圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。實施例1本專利技術(shù)超硬材料與金屬基體材料復(fù)合方法的工藝過程包括如下步驟步驟1如圖1所示，制作形狀記憶合金容器，其形狀為管套2，通常管套的壁厚范圍為0.5-5mm，其最佳值根據(jù)超硬材料柱體1直徑及鑲固工藝要求來確定。在管套2內(nèi)部尺寸比超硬材料柱體1輪廓尺寸小2％-15％的情況下，對其進(jìn)行定型處理。超硬材料柱體1將在后續(xù)步驟中置入管套2中。步驟2如圖2所示，對管套2進(jìn)行擴張其容量的處理，即擴孔處理；在室溫或低溫下機械擴孔，使管套2內(nèi)部尺寸大于超硬材料柱體1的輪廓尺寸。步驟3如圖3所示，先將超硬材料1置入形狀記憶合金管套2內(nèi)，然后將其加熱到適當(dāng)溫度，通常為50-150℃，由于形狀記憶合金管套2受熱后即產(chǎn)生恢復(fù)至原有形狀，而超硬材料1阻止其縮徑變形，致使記憶合金管套2以很大的回復(fù)力緊緊地箍住超硬材料1，這樣形成一個復(fù)合體4。復(fù)合體4形成后，將其外部形狀磨削加工為最終裝配尺寸，如圖4所示。步驟4如圖5所示，將復(fù)合體4過盈配合鑲固在金屬基體3上，其過盈量為0.02-0.20mm。在金屬基體3的齒孔底部放置了一個記憶合金墊片5，以緩沖減震。在不用減震的情況下，可以不需要墊片5，墊片5的厚度范圍為0.5-5mm，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。超硬材料1為天然金剛石或者人造聚晶金剛石PCD或者聚晶金剛石復(fù)合塊PDC或者孕鑲金剛石燒結(jié)塊或者立方氮化硼CBN。其鑲?cè)牍芴?內(nèi)的部分形狀為圓柱體，露出管套2的部分可以為其他形狀。形狀記憶合金管套2的材質(zhì)為NiTi二元合金或者NiTiNb三元合金或者NiTiCu三元合金或者Fe-Mn-Si系合金或者Cu基合金。實施例2上述的超硬材料與金屬基體材料復(fù)合方法可以具體應(yīng)用在石油鉆探工具上，比如石油鉆具穩(wěn)定器的應(yīng)用，如下所述在石油鉆井中廣泛使用鉆具穩(wěn)定器，用來穩(wěn)定鉆頭、控制井眼軌跡和修整井壁，特別是在定向井和水平井中，對鉆具穩(wěn)定器的耐磨性提出了更高的要求。目前普遍使用的鉆具穩(wěn)定器主要以碳化鎢硬質(zhì)合金作為其表面的耐磨層，一般采用在鋼基體上鑲嵌碳化鎢柱體、焊接碳化鎢塊或堆焊碳化鎢等方式。在定向井和水平井中，由于與井壁的接觸載荷較大，以碳化鎢作為耐磨層的鉆具穩(wěn)定器磨損嚴(yán)重，壽命較短，鉆具穩(wěn)定器磨損后影響井眼軌跡控制的準(zhǔn)確性。為了提高鉆具穩(wěn)定器的耐磨性和使用壽命，可以采用本專利技術(shù)上述的方法在鋼基體上鑲嵌金剛石聚晶柱體取代碳化鎢柱體作為其耐磨層，由于金剛石聚晶柱體的耐磨性是碳化鎢柱體的90-100倍左右，因此可大大提高鉆具穩(wěn)定器的耐磨性。如圖7所示，為本專利技術(shù)鑲嵌金剛石聚晶柱體的鉆具穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖中可知，采用上述方法，將一個以上金剛石聚晶柱體1’用形狀記憶合金管套2包裹后，過盈配合鑲嵌到鉆具穩(wěn)定器的鋼基體3上的齒孔中，形成表面耐磨層。圖8為圖7中A-A剖面的局部放大圖，可明確顯示出過盈配合鑲嵌到鉆具穩(wěn)定器的鋼基體3上的一個以上金剛石聚晶柱體1'，以及形狀記憶合金管套2之間具體的位置關(guān)系。實施例3上述的超硬本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張志剛，黃春宏，
申請(專利權(quán))人：北京海能海特石油科技發(fā)展有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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