[发明专利]一种梯度结构金刚石硬质合金复合球齿的制备方法

说明书

技术领域  

本发明涉及硬质合金技术领域，具体为一种梯度结构金刚石硬质合金复合球齿的制备方法。

背景技术  

硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。

硬质合金球齿在使用时，不仅受冲击载荷和扭转载荷的作用，还需要承受来自岩石的严重磨损，这就要求切削齿不仅需要足够的冲击韧性，还需要较高的耐磨性。但常见的硬质合金球齿多采用WC-Co硬质合金制成，其性能依赖于碳化钨和钴的含量和粒度，增加钴的含量和碳化钨的晶粒度，便可以提高硬质合金的抗弯强度和冲击韧性，但同时耐磨性下降；反之，便可提高耐磨性。可见，硬质合金球齿的耐磨性和抗冲击韧性是矛盾的，想要同时进行优化存在很大的难度。

在深井施工中，大约70%的时间花费在钻进和起下钻的过程中，在硬质层地区，钻头费用占整个深井掘进费用的50%以上，可见，耐磨性不足是当前钻头寿命短，效率低的主要原因。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种梯度结构金刚石硬质合金复合球齿的制备方法，其在硬质合金的基体上复合过渡层和多晶金刚石层，能够增加球齿表面硬度，提高其耐磨性能，同时能够使基体的中间层具有很好的强度和韧性，从而承受较高的载荷，尽量同时提高球齿的抗冲击韧性和耐磨性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，提供一种梯度结构金刚石硬质合金复合球齿的制备方法，具体步骤为：

1）按重量计，将碳化钨96-97份、钴粉3-4份加入球磨机中，以酒精为介质，硬质合金球为研磨体进行研磨18-22小时后干燥物料，然后加入物料总重量0.3%的橡胶溶液混合均匀并烘干，再将物料填充到球齿模具中压制成型，在氮气或者氩气保护下于1320-1350℃烧结60-100min，最后将其温度降至225-280℃均温0.5-2h，冷却至室温得到钴含量梯度分布的硬质合金基体；

2）将金刚石粉体与立方氮化硼按重量比1:1混合均匀，然后预压成与硬质合金基体上端配合的形状的过渡层，置于硬质合金基体的上方，再于硬质合金基体的上方预压多晶金刚石层，得到待复合的球齿，其中过渡层与多晶金刚石层的厚度为1.5-2mm；

3）将待复合的球齿在顶压机中进行超高压烧结，即在5.2-5.5GPa、1350-1400℃保持15-18min，得到具有梯度结构的金刚石硬质合金复合球齿。

金刚石是目前自然界已知的最坚硬、最耐磨的物质，可以考虑将其复合在硬质合金基体的表面，用以提高其耐磨性能。

本发明首先制取具有梯度分布的硬质合金基体，使得基体的表面贫钴，增加其表面的强度和耐磨性，同时，中间层的钴含量相对升高，能够提高材料的强度和韧性。另外，多晶金刚石的耐磨性很高，通过将其复合到硬质合金基体上，将硬质合金基体作为衬底，能够一定程度的兼容，达到耐磨性和韧性的平衡。

步骤1）中通过在250℃均温进行均温，一方面有助于减小基体的应力；另外，可以促进钴的转移，呈现一定的梯度，即合金的最外层中中间层均为碳化钨和钴形成的两相组织，内层为WC+Co+η三相显微组织。在硬质合金基体的最外层，其钴含量低于基体的名义平均钴含量，具有很高的硬度和耐磨性；在合金基体的中间层，其钴含量高于基体的名义平均钴含量，具有较好的韧性和强度。相比钴含量均质的硬质合金基体，其表面硬度提高HV400以上。

进一步的，所述的碳化钨为粒径大于30μm的超粗晶碳化钨，其制备方法是将氧化钨在氢气条件下于800-850℃进行还原，得到钨粉，然后进行球磨配碳，控制碳化钨中的化合碳含量大于>6.1wt%、游离碳含量≤0.03wt%，最后将混合的物料在全自动高温四管还原炉中进行高温碳化得到碳化钨，其中碳化温度为1250-1300℃，碳化气氛为真空。在碳化钨的制备中未使用添加剂，使得其生产过程更为简化，更重要的可以避免添加剂与器皿之间的氧化反应，能够提高成品率和回收率。该种基体具有较好的韧性和膨胀性。

步骤2）中的所述的硬质合金基体在超高压烧结之前进行去油污和去表面氧化膜处理；即采用表面活性剂洗涤去除油污，采用盐酸浸泡并加热后清洗去除氧化膜避免硬质合金基体表面的油污及氧化物等杂质影响后续的烧结，同时，在烧结的过程中带入杂质，每次处理之后用蒸馏水进行清洗至中性，避免新的杂质出现，影响复合球齿的性能。进行该两种处理还可以防止表面钴向外扩散，使其向内部迁移而不是向表面富集，具有合适的韧性和热膨胀系数。