一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，首先制備具有鈷含量梯度分布的硬質(zhì)合金基體，然后在其上復合金剛石與立方碳化硼構(gòu)成的過渡層和多晶金剛石層，得到硬質(zhì)合金球齒，該球齒的內(nèi)部鈷含量高，具有較高的韌性，最外層為多晶金剛石層，具有較高的耐磨性；同時，采用立方碳化硼與金剛石的混合作為過渡層，確保粘接質(zhì)量。本發(fā)明提供的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒，同時具有很高的耐磨性和韌性，能夠大幅提升使用壽命，提高工作效率，降低操作成本。
【專利說明】一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
硬質(zhì)合金具有很高的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性，用于制造切削工具、刀具、鉆具和耐磨零部件，廣泛應用于軍工、航天航空、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領(lǐng)域。
[0003]硬質(zhì)合金球齒在使用時，不僅受沖擊載荷和扭轉(zhuǎn)載荷的作用，還需要承受來自巖石的嚴重磨損，這就要求切削齒不僅需要足夠的沖擊韌性，還需要較高的耐磨性。但常見的硬質(zhì)合金球齒多采用WC-Co硬質(zhì)合金制成，其性能依賴于碳化鎢和鈷的含量和粒度，增加鈷的含量和碳化鎢的晶粒度，便可以提高硬質(zhì)合金的抗彎強度和沖擊韌性，但同時耐磨性下降；反之，便可提高耐磨性?？梢姡操|(zhì)合金球齒的耐磨性和抗沖擊韌性是矛盾的，想要同時進行優(yōu)化存在很大的難度。
[0004]在深井施工中，大約70%的時間花費在鉆進和起下鉆的過程中，在硬質(zhì)層地區(qū)，鉆頭費用占整個深井掘進費用的50%以上，可見，耐磨性不足是當前鉆頭壽命短，效率低的主要原因。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對以上問題，提供一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其在硬質(zhì)合金的基體上復合過渡層和多晶金剛石層，能夠增加球齒表面硬度，提高其耐磨性能，同時能夠使基體的中間層具有很好的強度和韌性，從而承受較高的載荷，盡量同時提高球齒的抗沖擊韌性和耐磨性。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，提供一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，具體步驟為:
1)按重量計，將碳化鎢96-97份、鈷粉3-4份加入球磨機中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球為研磨體進行研磨18-22小時后干燥物料，然后加入物料總重量0.3%的橡膠溶液混合均勻并烘干，再將物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1320-1350°C燒結(jié)60-100min，最后將其溫度降至225_280°C均溫0.5_2h，冷卻至室溫得到鈷含量梯度分布的硬質(zhì)合金基體；
2)將金剛石粉體與立方氮化硼按重量比1:1混合均勻，然后預壓成與硬質(zhì)合金基體上端配合的形狀的過渡層，置于硬質(zhì)合金基體的上方，再于硬質(zhì)合金基體的上方預壓多晶金剛石層，得到待復合的球齒，其中過渡層與多晶金剛石層的厚度為1.5-2mm ；
3)將待復合的球齒在頂壓機中進行超高壓燒結(jié)，即在5.2-5.5GPa、1350-1400°C保持15-18min,得到具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒。
[0007]金剛石是目前自然界已知的最堅硬、最耐磨的物質(zhì)，可以考慮將其復合在硬質(zhì)合金基體的表面，用以提高其耐磨性能。
[0008]本發(fā)明首先制取具有梯度分布的硬質(zhì)合金基體，使得基體的表面貧鈷，增加其表面的強度和耐磨性，同時，中間層的鈷含量相對升高，能夠提高材料的強度和韌性。另外，多晶金剛石的耐磨性很高，通過將其復合到硬質(zhì)合金基體上，將硬質(zhì)合金基體作為襯底，能夠一定程度的兼容，達到耐磨性和韌性的平衡。
[0009]步驟I)中通過在250°C均溫進行均溫，一方面有助于減小基體的應力；另外，可以促進鈷的轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)一定的梯度，即合金的最外層中中間層均為碳化鎢和鈷形成的兩相組織，內(nèi)層為WC+Co+il三相顯微組織。在硬質(zhì)合金基體的最外層，其鈷含量低于基體的名義平均鈷含量，具有很高的硬度和耐磨性；在合金基體的中間層，其鈷含量高于基體的名義平均鈷含量，具有較好的韌性和強度。相比鈷含量均質(zhì)的硬質(zhì)合金基體，其表面硬度提高HV400以上。
[0010]進一步的，所述的碳化鎢為粒徑大于30 μ m的超粗晶碳化鎢，其制備方法是將氧化鎢在氫氣條件下于800-850°C進行還原，得到鎢粉，然后進行球磨配碳，控制碳化鎢中的化合碳含量大于>6.lwt%、游離碳含量< 0.03wt%，最后將混合的物料在全自動高溫四管還原爐中進行高溫碳化得到碳化鎢，其中碳化溫度為1250-1300°C，碳化氣氛為真空。在碳化鎢的制備中未使用添加劑，使得其生產(chǎn)過程更為簡化，更重要的可以避免添加劑與器皿之間的氧化反應，能夠提高成品率和回收率。該種基體具有較好的韌性和膨脹性。
[0011]步驟2)中的所述的硬質(zhì)合金基體在超高壓燒結(jié)之前進行去油污和去表面氧化膜處理；即采用表面活性劑洗滌去除油污，采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜避免硬質(zhì)合金基體表面的油污及氧化物等雜質(zhì)影響后續(xù)的燒結(jié)，同時，在燒結(jié)的過程中帶入雜質(zhì)，每次處理之后用蒸餾水進行清洗至中性，避免新的雜質(zhì)出現(xiàn)，影響復合球齒的性能。進行該兩種處理還可以防止表面鈷向外擴散，使其向內(nèi)部遷移而不是向表面富集，具有合適的韌性和熱膨脹系數(shù)。
[0012]所述硬質(zhì)合金基體的下方為圓柱體，上方為半球體，半球體的直徑小于圓柱體的直徑，且半球體與圓柱體一體成型。由于半球體相對圓柱體設(shè)有內(nèi)凹的結(jié)構(gòu)，便于過渡層和多晶金剛石安裝到位。
[0013]步驟3)得到的復合球齒在800-900°C進行退火處理lOmin，再空冷至常溫。該退火處理可以降低復合球齒的應力。
[0014]所述過渡層的厚度為2mm，多晶金剛石層的厚度為1.5mm。過渡層與多晶金剛石層的厚度應配合硬質(zhì)合金基體的大小，能夠復合成一個光滑圓弧的球齒。
[0015]步驟3)中所述的燒結(jié)壓力為5.5GPa、溫度為1400°C，保持時間為18min?；w中的鈷液向過渡區(qū)擴散，形成粘接劑，促進硬質(zhì)合金基體與多晶金剛石層的粘接，提高兩者的結(jié)合強度。
[0016]所述碳化鎢的氧含量小于200ppm。
[0017]所述硬質(zhì)合金基體的表層的鈷含量小于整體鈷含量。
[0018]本發(fā)明還涉及采用上述方法制備得到的具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒。既耐磨又抗沖擊，可以代替常規(guī)的硬質(zhì)合金球齒，能夠解決原有球齒壽命短、效率低成本高的問題。
[0019]本發(fā)明通過立方氮化硼與金剛石例子進行混合，由于立方氮化硼與金剛石粒子具有幾乎相同的熱膨脹系數(shù)，能夠有效降低燒結(jié)熱應力，另外還可防止金剛石粒子的異常生長。
[0020]本發(fā)明提供的具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒，具有基質(zhì)層、過渡層和最外層的多晶金剛石層，其中基質(zhì)層的鈷含量由外到內(nèi)逐漸增加，呈梯度分布，使得內(nèi)層具有較高的韌性，外層具有較高的硬度，能夠與多晶金剛石層配合，進一步增強其抗沖擊能力。在基質(zhì)的外層與多晶金剛石層之間設(shè)有過渡層，可以起到粘接的作用，有助于提高多晶金剛石的強度和熱穩(wěn)定性，并擴大金剛石表面燒結(jié)中介作用，與基體牢固粘接。
[0021]本發(fā)明采用上述方法得到的復合球齒，能夠滿足中、小直徑?jīng)_擊-回轉(zhuǎn)鉆進的要求，其使用壽命為提高40%以上，節(jié)約成本，節(jié)省時間，能夠大幅提升工作效率。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。
[0023]實施例1:
一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，具體步驟為:
超粗晶碳化鶴的制備:
將氧化鎢在氫氣條件下于800-85(TC進行還原，得到鎢粉，然后進行球磨配碳，控制碳化鎢中的化合碳含量大于>6.lwt%、游離碳含量< 0.03wt%，最后將混合的物料在全自動高溫四管還原爐中進行高溫碳化得到碳化鎢，其中碳化溫度為1250-1300°C，碳化氣氛為真空。
[0024]I)按重量計，將碳化鎢96份、鈷粉4份加入球磨機中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球為研磨體進行研磨18小時后干燥物料，然后加入物料總重量0.3%的橡膠溶液混合均勻并烘干，再將物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1320-1350°C燒結(jié)lOOmin，最后將其溫度降至225-280°C均溫lh，冷卻至室溫得到鈷含量梯度分布的硬質(zhì)合金基體；
2)將金剛石粉體與立方氮化硼按重量比1:1混合均勻，然后預壓成與硬質(zhì)合金基體上端配合的形狀的過渡層，置于硬質(zhì)合金基體的上方，再于硬質(zhì)合金基體的上方預壓多晶金剛石層，得到待復合的球齒，其中過渡層與多晶金剛石層的厚度均為2mm ；
3)將待復合的球齒進行超高壓燒結(jié)，即在5.2-5.5GPa、1350-1400°C保持16min，得到具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒。
[0025]實施例2:
一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，具體步驟為:
1)按重量計，將碳化鎢97份、鈷粉3份加入球磨機中，以酒精為介質(zhì)，硬質(zhì)合金球為研磨體進行研磨22小時后干燥物料，然后加入物料總重量0.3%的橡膠溶液混合均勻并烘干，再將物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1320-1350°C燒結(jié)70min，最后將其溫度降至225-280°C均溫2h，冷卻至室溫得到鈷含量梯度分布的硬質(zhì)合金基體；
2)將金剛石粉體與立方氮化硼按重量比1:1混合均勻，然后預壓成與硬質(zhì)合金基體上端配合的形狀的過渡層，置于硬質(zhì)合金基體的上方，再于硬質(zhì)合金基體的上方預壓多晶金剛石層，得到待復合的球齒，其中過渡層與多晶金剛石層的厚度均為1.5_;硬質(zhì)合金基體在超高壓燒結(jié)之前進行去油污和去表面氧化膜處理；即采用表面活性劑洗滌去除油污，采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜，每次處理之后用蒸餾水清洗至中性；其中，硬質(zhì)合金基體的下方為圓柱體，上方為半球體，半球體的直徑小于圓柱體的直徑，且半球體與圓柱體一體成型；
3)將待復合的球齒進行超高壓燒結(jié)，即在5.2-5.5GPa、1350-1400°C保持15min，得到具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒。
[0026]實施例3:
一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，具體步驟為:
1)按重量計，將碳化鎢96.5份、鈷粉3.5份加入球磨機中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球為研磨體進行研磨20小時后干燥物料，然后加入物料總重量0.3%的橡膠溶液混合均勻并烘干，再將物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1320-1350°C燒結(jié)60min，最后將其溫度降至225-280°C均溫1.5h，冷卻至室溫得到鈷含量梯度分布的硬質(zhì)合金基體；
2)將金剛石粉體與立方氮化硼按重量比1:1混合均勻，然后預壓成與硬質(zhì)合金基體上端配合的形狀的過渡層，置于硬質(zhì)合金基體的上方，再于硬質(zhì)合金基體的上方預壓多晶金剛石層，得到待復合的球齒，其中過渡層與多晶金剛石層的厚度均為1.5mm ;所述過渡層的厚度為2mm,多晶金剛石層的厚度為1.5mm;
3)將待復合的球齒進行超高壓燒結(jié)，即在5.5GPa、1400°C，保持18min ;得到具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒；步驟3)得到的復合球齒在800-900°C進行退火處理lOmin，再空冷至常溫。
[0027]超高壓燒結(jié)中所用的設(shè)備為二面頂壓機或者六面頂壓機。
【權(quán)利要求】
1.一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于，具體步驟為: 1)按重量計，將碳化鎢96-97份、鈷粉3-4份加入球磨機中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球為研磨體進行研磨18-22小時后干燥物料，然后加入物料總重量0.3%的橡膠溶液混合均勻并烘干，再將物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1320-1350°C燒結(jié)60-100min，最后將其溫度降至225_280°C均溫0.5_2h，冷卻至室溫得到鈷含量梯度分布的硬質(zhì)合金基體； 2)將金剛石粉體與立方氮化硼按重量比1:1混合均勻，然后預壓成與硬質(zhì)合金基體上端配合的形狀的過渡層，置于硬質(zhì)合金基體的上方，再于硬質(zhì)合金基體的上方預壓多晶金剛石層，得到待復合的球齒，其中過渡層與多晶金剛石層的厚度為1.5-2mm ； 3)將待復合的球齒進行超高壓燒結(jié)，即在5.2-5.5GPa、1350-1400°C保持15_18min，得到具有梯度結(jié)構(gòu)的金剛石硬質(zhì)合金復合球齒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:所述的碳化鎢為粒徑大于30 μ m的超粗晶碳化鎢，其制備方法是將氧化鎢在氫氣條件下于800-850°C進行還原，得到鎢粉，然后進行球磨配碳，控制碳化鎢中的化合碳含量大于>6.lwt%、游離碳含量< 0.03wt%，最后將混合的物料在全自動高溫四管還原爐中進行高溫碳化得到碳化鎢，其中碳化溫度為1250-1300°C，碳化氣氛為真空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:步驟2)中的所述的硬質(zhì)合金基體在超高壓燒結(jié)之前進行去油污和去表面氧化膜處理；即采用表面活性劑洗滌去除油污，采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜，每次處理之后用蒸餾水清洗至中性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:所述硬質(zhì)合金基體的下方為圓柱體，上方為半球體，半球體的直徑小于圓柱體的直徑，且半球體與圓柱體一體成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:步驟3)得到的復合球齒在800-900°C進行退火處理lOmin，再空冷至常溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:所述過渡層的厚度為2mm,多晶金剛石層的厚度為1.5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:步驟3)中所述的燒結(jié)壓力為5.5GPa、溫度為1400°C，保持時間為18min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:所述碳化鎢的氧含量小于200ppm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒的制備方法，其特征在于:所述硬質(zhì)合金基體的表層的鈷含量小于整體鈷含量。
10.采用權(quán)利要求1-9之一所述的方法制備得到的梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復合球齒。
【文檔編號】B22F3/16GK104439248SQ201410729701
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】郭建鋒, 郭華彬, 劉小平, 趙迎九, 鄧傳林, 王賢標, 黃騰, 崔宇明, 謝遠海 申請人:江西耀升鎢業(yè)股份有限公司