CN105177389B - 一种矿用硬质合金复合球齿及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用硬质合金复合球齿及其制备方法，所述矿用硬质合金复合球齿由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成；硬质合金基体层的下端为圆柱体，上端为半球体；聚晶金刚石层通过中间层与硬质合金基体层的半球体外表面粘接，聚晶金刚石层与中间层的厚度之和为2.05‑2.3mm；中间层由碳氮化钛和立方氮化硼组成，硬质合金基体层由碳氮化钛、立方氮化硼和钴粉组成；经硬质合金基体层的制备、中间层和聚晶金刚石层的制备、高压烧结制得钴含量呈由外向内增加的梯度分布的矿用硬质合金复合球齿。本发明工艺简单，制得的复合球齿具有很高的耐磨性和韧性，能够大幅提升使用寿命，提高工作效率，降低操作成本。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿用复合球齿制备领域，具体是一种矿用硬质合金复合球齿及其制备方法。
背景技术
硬质合金球齿及钻齿是一种广泛用于潜孔锤钻头、牙轮钻头、钎头和大直径滚刀钻头等的碎岩材料，主要是以冲击和滚压方式破碎岩石，由于具有冲击或微冲击载荷作用，当钻进中硬至坚硬地层时，能比纯回转钻进方式提高效率5～10倍，在矿山开采、油井钻进、地质勘探以及其他钻凿岩石工程中作为工具材料得到广泛地使用，占全部硬质合金用量的三分之一。随着凿岩技术的发展，人们对凿岩硬质合金的质量要求也越来越高，而凿岩用硬质合金质量的好坏，直接决定了其使用性能。
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
本发明的目的在于提供一种具有高耐磨性和韧性的矿用硬质合金复合球齿及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿用硬质合金复合球齿，由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成；所述硬质合金基体层的下端为圆柱体，上端为半球体，半球体的球心与圆柱体的上表面的圆心位置相同；所述聚晶金刚石层通过中间层与硬质合金基体层的半球体外表面粘接，所述聚晶金刚石层与中间层的厚度之和为2.05-2.3mm；所述聚晶金刚石层采用的是聚晶金刚石，所述中间层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50-60%和立方氮化硼40-50%组成，所述硬质合金基体层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50-60%、立方氮化硼34-44%和钴粉6-7%组成。
作为本发明进一步的方案：所述硬质合金基体层中，半球体的直径比圆柱体的直径小4.1-4.6mm。
作为本发明进一步的方案：所述聚晶金刚石层与中间层的厚度比为1：1-1.5。
所述的矿用硬质合金复合球齿的制备方法，包括以下步骤：
（1）硬质合金基体层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50-60份、立方氮化硼34-44份和钴粉6-7份并加入球磨机中，以无水酒精为介质，硬质合金球为研磨体，研磨12小时后，分离出混合物料并将其置于温度为60-80℃的烘箱内干燥6-8h，手工研磨，过120-200目筛，然后加入混合物料总质量1.8-2%的聚乙烯醇浓度为5%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并烘干至混合物料的含水量为0.08-0.12%，再将混合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1280-1300℃烧结120-150min，最后将其温度降至300-350℃均温3h，冷却至室温得到钴含量呈梯度分布的硬质合金基体层；
（2）中间层和聚晶金刚石层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50-60份和立方氮化硼40-50份并混合均匀，再将其预压成与硬质合金基体层相配合的空心半球体状的中间层，置于硬质合金基体层的上端球体外表面；接着在中间层的外表面预压聚晶金刚石层，得到待复合的硬质合金球齿，此时中间层与聚晶金刚石层的厚度之和为2.5-2.8mm；
（3）高压烧结：对待复合的硬质合金球齿进行去油污和去表面氧化膜处理后，在4.8-5.0GPa的压力下、1300-1320℃的温度下保持20-30min，最后在1000-1050℃进行退火处理5-8min，空冷至常温，即得到矿用硬质合金复合球齿。
作为本发明进一步的方案：所述步骤（3）中，去油污处理是采用表面活性剂洗涤去除油污，去表面氧化膜处理是采用盐酸浸泡并加热后清洗去除氧化膜，每次处理之后用蒸馏水清洗至中性。
作为本发明进一步的方案：所述硬质合金基体层的钴含量呈由外向内增加的梯度分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明首先以高硬度的碳氮化钛、立方氮化硼和钴粉为原料，烧结制得硬质合金基体层，其中的钴含量呈由外向内增加的梯度分布，增加了硬质合金基体层表面的强度和耐磨性；中间层直接采用高硬度的碳氮化钛和立方氮化硼，能够提高材料的强度，聚晶金刚石层的耐磨性很高，将高耐磨性的聚晶金刚石复合到硬质合金基体层表面，能够实现耐磨性和韧性的平衡效果。本发明具有很高的耐磨性和韧性，能够大幅度提升使用寿命，提高工作效率，降低操作成本。
本发明工艺简单，性能稳定，生产效率高，对环境无污染，适应工业要求。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种矿用硬质合金复合球齿，由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成；硬质合金基体层的下端为圆柱体，上端为半球体，半球体的球心与圆柱体的上表面的圆心位置相同，半球体的直径比圆柱体的直径小4.1mm；聚晶金刚石层通过中间层与硬质合金基体层的半球体外表面粘接，聚晶金刚石层与中间层的厚度之和为2.05mm，聚晶金刚石层与中间层的厚度比为1：1；聚晶金刚石层采用的是聚晶金刚石，中间层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50%和立方氮化硼50%组成，硬质合金基体层按照质量百分比的原料由碳氮化钛60%、立方氮化硼34%和钴粉6%组成。
所述的矿用硬质合金复合球齿的制备方法，包括以下步骤：
（1）硬质合金基体层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛60份、立方氮化硼34份和钴粉6份并加入球磨机中，以无水酒精为介质，硬质合金球为研磨体，研磨12小时后，分离出混合物料并将其置于温度为70℃的烘箱内干燥7h，手工研磨，过120-200目筛，然后加入混合物料总质量1.8%的聚乙烯醇浓度为5%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并烘干至混合物料的含水量为0.08-0.12%，再将混合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1300℃烧结120min，最后将其温度降至350℃均温3h，冷却至室温得到钴含量呈由外向内增加的梯度分布的硬质合金基体层；
（2）中间层和聚晶金刚石层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50份和立方氮化硼50份并混合均匀，再将其预压成与硬质合金基体层相配合的空心半球体状的中间层，置于硬质合金基体层的上端球体外表面；接着在中间层的外表面预压聚晶金刚石层，得到待复合的硬质合金球齿，此时中间层与聚晶金刚石层的厚度之和为2.5mm；
（3）高压烧结：对待复合的硬质合金球齿进行去油污和去表面氧化膜处理，去油污处理是采用表面活性剂洗涤去除油污，去表面氧化膜处理是采用盐酸浸泡并加热后清洗去除氧化膜，每次处理之后用蒸馏水清洗至中性；接着在4.9GPa的压力下、1310℃的温度下保持25min，最后在1050℃进行退火处理5min，空冷至常温，即得到矿用硬质合金复合球齿。
实施例2
本发明实施例中，一种矿用硬质合金复合球齿，由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成；硬质合金基体层的下端为圆柱体，上端为半球体，半球体的球心与圆柱体的上表面的圆心位置相同，半球体的直径比圆柱体的直径小4.4mm；聚晶金刚石层通过中间层与硬质合金基体层的半球体外表面粘接，聚晶金刚石层与中间层的厚度之和为2.2mm，聚晶金刚石层与中间层的厚度比为1：1.3；聚晶金刚石层采用的是聚晶金刚石，中间层按照质量百分比的原料由碳氮化钛60%和立方氮化硼40%组成，硬质合金基体层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50%、立方氮化硼43%和钴粉7%组成。
所述的矿用硬质合金复合球齿的制备方法，包括以下步骤：
（1）硬质合金基体层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50份、立方氮化硼43份和钴粉7份并加入球磨机中，以无水酒精为介质，硬质合金球为研磨体，研磨12小时后，分离出混合物料并将其置于温度为80℃的烘箱内干燥6h，手工研磨，过120-200目筛，然后加入混合物料总质量1.9%的聚乙烯醇浓度为5%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并烘干至混合物料的含水量为0.08-0.12%，再将混合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1280℃烧结150min，最后将其温度降至350℃均温3h，冷却至室温得到钴含量呈由外向内增加的梯度分布的硬质合金基体层；
（2）中间层和聚晶金刚石层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛60份和立方氮化硼40份并混合均匀，再将其预压成与硬质合金基体层相配合的空心半球体状的中间层，置于硬质合金基体层的上端球体外表面；接着在中间层的外表面预压聚晶金刚石层，得到待复合的硬质合金球齿，此时中间层与聚晶金刚石层的厚度之和为2.65mm；
（3）高压烧结：对待复合的硬质合金球齿进行去油污和去表面氧化膜处理，去油污处理是采用表面活性剂洗涤去除油污，去表面氧化膜处理是采用盐酸浸泡并加热后清洗去除氧化膜，每次处理之后用蒸馏水清洗至中性；接着在5.0GPa的压力下、1300℃的温度下保持30min，最后在1030℃进行退火处理7min，空冷至常温，即得到矿用硬质合金复合球齿。
实施例3
本发明实施例中，一种矿用硬质合金复合球齿，由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成；硬质合金基体层的下端为圆柱体，上端为半球体，半球体的球心与圆柱体的上表面的圆心位置相同，半球体的直径比圆柱体的直径小4.6mm；聚晶金刚石层通过中间层与硬质合金基体层的半球体外表面粘接，聚晶金刚石层与中间层的厚度之和为2.3mm，聚晶金刚石层与中间层的厚度比为1：1.5；聚晶金刚石层采用的是聚晶金刚石，中间层按照质量百分比的原料由碳氮化钛55%和立方氮化硼45%组成，硬质合金基体层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50%、立方氮化硼44%和钴粉6%组成。
所述的矿用硬质合金复合球齿的制备方法，包括以下步骤：
（1）硬质合金基体层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50份、立方氮化硼44份和钴粉6份并加入球磨机中，以无水酒精为介质，硬质合金球为研磨体，研磨12小时后，分离出混合物料并将其置于温度为60℃的烘箱内干燥8h，手工研磨，过120-200目筛，然后加入混合物料总质量2%的聚乙烯醇浓度为5%的聚乙烯醇水溶液混合均匀并烘干至混合物料的含水量为0.08-0.12%，再将混合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1280℃烧结120min，最后将其温度降至300℃均温3h，冷却至室温得到钴含量呈由外向内增加的梯度分布的硬质合金基体层；
（2）中间层和聚晶金刚石层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛55份和立方氮化硼45份并混合均匀，再将其预压成与硬质合金基体层相配合的空心半球体状的中间层，置于硬质合金基体层的上端球体外表面；接着在中间层的外表面预压聚晶金刚石层，得到待复合的硬质合金球齿，此时中间层与聚晶金刚石层的厚度之和为2.8mm；
（3）高压烧结：对待复合的硬质合金球齿进行去油污和去表面氧化膜处理，去油污处理是采用表面活性剂洗涤去除油污，去表面氧化膜处理是采用盐酸浸泡并加热后清洗去除氧化膜，每次处理之后用蒸馏水清洗至中性；接着在4.8GPa的压力下、1320℃的温度下保持20min，最后在1000℃进行退火处理8min，空冷至常温，即得到矿用硬质合金复合球齿。
本发明首先以高硬度的碳氮化钛、立方氮化硼和钴粉为原料，烧结制得硬质合金基体层，其中的钴含量呈由外向内增加的梯度分布，增加了硬质合金基体层表面的强度和耐磨性；中间层直接采用高硬度的碳氮化钛和立方氮化硼，能够提高材料的强度，聚晶金刚石层的耐磨性很高，将高耐磨性的聚晶金刚石复合到硬质合金基体层表面，能够实现耐磨性和韧性的平衡效果。本发明具有很高的耐磨性和韧性，能够大幅度提升使用寿命，提高工作效率，降低操作成本。
本发明工艺简单，性能稳定，生产效率高，对环境无污染，适应工业要求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种矿用硬质合金复合球齿，其特征在于，由聚晶金刚石层、中间层、硬质合金基体层组成；所述硬质合金基体层的下端为圆柱体，上端为半球体，半球体的球心与圆柱体的上表面的圆心位置相同；所述聚晶金刚石层通过中间层与硬质合金基体层的半球体外表面粘接，所述聚晶金刚石层与中间层的厚度之和为2.05-2.3mm；所述聚晶金刚石层采用的是聚晶金刚石，所述中间层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50-60％和立方氮化硼40-50％组成，所述硬质合金基体层按照质量百分比的原料由碳氮化钛50-60％、立方氮化硼34-44％和钴粉6-7％组成；
它的制备方法，包括以下步骤：
(1)硬质合金基体层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50-60份、立方氮化硼34-44份和钴粉6-7份并加入球磨机中，以无水酒精为介质，硬质合金球为研磨体，研磨12小时后，分离出混合物料并将其置于温度为60-80℃的烘箱内干燥6-8h，手工研磨，过120-200目筛，然后加入混合物料总质量1.8-2％的聚乙烯醇浓度为5％的聚乙烯醇水溶液混合均匀并烘干至混合物料的含水量为0.08-0.12％，再将混合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1280-1300℃烧结120-150min，最后将其温度降至300-350℃均温3h，冷却至室温得到钴含量呈梯度分布的硬质合金基体层；
(2)中间层和聚晶金刚石层的制备：按照质量比，称取碳氮化钛50-60份和立方氮化硼40-50份并混合均匀，再将其预压成与硬质合金基体层相配合的空心半球体状的中间层，置于硬质合金基体层的上端球体外表面；接着在中间层的外表面预压聚晶金刚石层，得到待复合的硬质合金球齿，此时中间层与聚晶金刚石层的厚度之和为2.5-2.8mm；
(3)高压烧结：对待复合的硬质合金球齿进行去油污和去表面氧化膜处理后，在4.8-5.0GPa的压力下、1300-1320℃的温度下保持20-30min，最后在1000-1050℃进行退火处理5-8min，空冷至常温，即得到矿用硬质合金复合球齿。
2.根据权利要求1所述的矿用硬质合金复合球齿，其特征在于，所述硬质合金基体层中，半球体的直径比圆柱体的直径小4.1-4.6mm。
3.根据权利要求1所述的矿用硬质合金复合球齿，其特征在于，所述聚晶金刚石层与中间层的厚度比为1：1-1.5。
4.根据权利要求1所述的矿用硬质合金复合球齿，其特征在于，所述步骤(3)中，去油污处理是采用表面活性剂洗涤去除油污，去表面氧化膜处理是采用盐酸浸泡并加热后清洗去除氧化膜，每次处理之后用蒸馏水清洗至中性。
5.根据权利要求1所述的矿用硬质合金复合球齿，其特征在于，所述硬质合金基体层的钴含量呈由外向内增加的梯度分布。
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