一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復(fù)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(fù)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(fù)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(shí)，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(fù)合球齒，同時(shí)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(fù)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(fù)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(qiáng)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(yīng)用于軍工、航天航空、機(jī)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(shí)，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(yán)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(qiáng)度和沖擊韌性，但同時(shí)耐磨性下降；反之，便可提高耐磨性?？梢?，硬質(zhì)合金球齒的耐磨性和抗沖擊韌性是矛盾的，想要同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化存在很大的難度。
[0004]在深井施工中，大約70%的時(shí)間花費(fèi)在鉆進(jìn)和起下鉆的過程中，在硬質(zhì)層地區(qū)，鉆頭費(fèi)用占整個(gè)深井掘進(jìn)費(fèi)用的50%以上，可見，耐磨性不足是當(dāng)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(duì)以上問題，提供一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，其在硬質(zhì)合金的基體上復(fù)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(shí)能夠使基體的中間層具有很好的強(qiáng)度和韌性，從而承受較高的載荷，盡量同時(shí)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(fù)合球齒的制備方法，具體步驟為:
1)按重量計(jì)，將碳化鎢96-97份、鈷粉3-4份加入球磨機(jī)中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw進(jìn)行研磨18-22小時(shí)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?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)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(yù)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(yù)壓多晶金剛石層，得到待復(fù)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(fù)合的球齒在頂壓機(jī)中進(jìn)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(fù)合球齒。
[0007]金剛石是目前自然界已知的最堅(jiān)硬、最耐磨的物質(zhì)，可以考慮將其復(fù)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(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)，中間層的鈷含量相對(duì)升高，能夠提高材料的強(qiáng)度和韌性。另外，多晶金剛石的耐磨性很高，通過將其復(fù)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(dá)到耐磨性和韌性的平衡。
[0009]步驟I)中通過在250°C均溫進(jìn)行均溫，一方面有助于減小基體的應(yīng)力；另外，可以促進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行還原，得到鎢粉，然后進(jìn)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(dòng)高溫四管還原爐中進(jìn)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(jiǎn)化，更重要的可以避免添加劑與器皿之間的氧化反應(yīng)，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(jìn)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(shí)，在燒結(jié)的過程中帶入雜質(zhì)，每次處理之后用蒸餾水進(jìn)行清洗至中性，避免新的雜質(zhì)出現(xiàn)，影響復(fù)合球齒的性能。進(jìn)行該兩種處理還可以防止表面鈷向外擴(kuò)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(duì)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(fù)合球齒在800-900°C進(jìn)行退火處理lOmin，再空冷至常溫。該退火處理可以降低復(fù)合球齒的應(yīng)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(yīng)配合硬質(zhì)合金基體的大小，能夠復(fù)合成一個(gè)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(shí)間為18min。基體中的鈷液向過渡區(qū)擴(kuò)散，形成粘接劑，促進(jìn)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(qiáng)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(fù)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(jìn)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(yīng)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(fù)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(jìn)一步增強(qiáng)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(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，并擴(kuò)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(fù)合球齒，能夠滿足中、小直徑?jīng)_擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的要求，其使用壽命為提高40%以上，節(jié)約成本，節(jié)省時(shí)間，能夠大幅提升工作效率。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。
[0023]實(shí)施例1:
一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復(fù)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(jìn)行還原，得到鎢粉，然后進(jìn)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(dòng)高溫四管還原爐中進(jìn)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(jì)，將碳化鎢96份、鈷粉4份加入球磨機(jī)中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw進(jìn)行研磨18小時(shí)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?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)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(yù)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(yù)壓多晶金剛石層，得到待復(fù)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(fù)合的球齒進(jìn)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(fù)合球齒。
[0025]實(shí)施例2:
一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，具體步驟為:
1)按重量計(jì)，將碳化鎢97份、鈷粉3份加入球磨機(jī)中，以酒精為介質(zhì)，硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw進(jìn)行研磨22小時(shí)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?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)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(yù)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(yù)壓多晶金剛石層，得到待復(fù)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(jìn)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(fù)合的球齒進(jìn)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(fù)合球齒。
[0026]實(shí)施例3:
一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，具體步驟為:
1)按重量計(jì)，將碳化鎢96.5份、鈷粉3.5份加入球磨機(jī)中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw進(jìn)行研磨20小時(shí)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?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)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(yù)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(yù)壓多晶金剛石層，得到待復(fù)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(fù)合的球齒進(jìn)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(fù)合球齒；步驟3)得到的復(fù)合球齒在800-900°C進(jìn)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(jī)或者六面頂壓機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種梯度結(jié)構(gòu)金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，其特征在于，具體步驟為: 1)按重量計(jì)，將碳化鎢96-97份、鈷粉3-4份加入球磨機(jī)中，以酒精為介質(zhì),硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw進(jìn)行研磨18-22小時(shí)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?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)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(yù)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(yù)壓多晶金剛石層，得到待復(fù)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(fù)合的球齒進(jìn)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(fù)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(fù)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(jìn)行還原，得到鎢粉，然后進(jìn)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(dòng)高溫四管還原爐中進(jìn)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(fù)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(jìn)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(fù)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(fù)合球齒的制備方法，其特征在于:步驟3)得到的復(fù)合球齒在800-900°C進(jìn)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(fù)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(fù)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(shí)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(fù)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(fù)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(fù)合球齒。
【文檔編號(hào)】B22F3/16GK104439248SQ201410729701
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)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(biāo), 黃騰, 崔宇明, 謝遠(yuǎn)海 申請(qǐng)人:江西耀升鎢業(yè)股份有限公司