CN107447154A - 一种矿用工具硬质合金及其制备方法 - Google Patents

一种矿用工具硬质合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种矿用工具硬质合金及其制备方法，包括碳化钨硬质相80‑97份、2‑8份粘接相、1‑2份添加剂及1‑2份成型剂，具体制备方法如下：1、混合碳化钨硬质相、粘接相及添加剂后添加成型剂通过水进行湿磨，在湿磨中加入定量成型剂，湿磨成混合物后备用；2、将上述混合物加入添加剂球磨6‑48小时，球磨后期添加经过超声分散于水中的石墨烯及碳纳米管成原料备用；3、将上述原料进行干燥制粒，并压制成型为生胚备用；4、将上述生胚烧制成型为硬质合金；本发明通过添加石墨烯和碳纳米管能有效地提高硬质合金的综合硬度和韧性，改善其红硬性及抗磨损性能，通过优化改善后的硬质合金可提高岩石钻凿工具寿命30%。

Description

一种矿用工具硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种矿用工具硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金由于其较高的硬度和耐磨性，以及相对于陶瓷材料更良好的韧性，被广泛应用于金属切削，磨具，机械工程和钻探采掘等行业。当硬质合金在进行岩石钻凿时，岩石和合金的接触面将于很短的时间（0.1s）内产生从0到10吨的力和从室温升到800或1000°C，而且这种情况随着钻头的旋转是高频重复出现，因此对硬质合金的硬度、耐磨性、高温红硬性及热疲劳性能都有很高的要求。随着工业应用水平的快速发展，对硬质合金的性能提出了更高的要求。特别是在岩石钻凿应用中，更加复杂的地质岩层状况和客户对产品工作效率的追求，对矿用硬质合金的综合耐磨性和红硬性等性能要求更为严苛。
常用硬质合金采用WC和Co组合，通过改变WC的晶粒尺寸，以及Co的含量来调整合金的硬度和韧性，从而满足不同工况下对工具耐磨性和强度的要求。但这种常规方法受限于WC和Co 组合自身材料本征性能局限，提高硬度的同时还需要兼顾韧性，尤其是在发生粘着磨损的情况下，粘结相的硬度不够带来整体性能的下降。当面对工作岩石硬度较高，磨损，尤其是粘着磨损导致工具失效时，传统WC-Co组合更是无法提供有效的解决方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：
一种矿用工具硬质合金及其制备方法，包括碳化钨硬质相80-97份、2-8份粘接相、1-2份添加剂及1-2份成型剂，具体制备方法如下：
步骤A：混合碳化钨硬质相、粘接相及添加剂后添加成型剂通过水进行湿磨，在湿磨中加入定量成型剂，湿磨成混合物后备用；
步骤B：将上述混合物加入添加剂球磨6-48小时，球磨后期添加经过超声分散于水中的石墨烯及碳纳米管成原料备用；
步骤C：将上述原料进行干燥制粒，并压制成型为生胚备用；
步骤D：将上述生胚烧制成型为硬质合金。
一种矿用工具硬质合金及其制备方法，包括碳化钨硬质相80-97份、2-8份粘接相、1-2份添加剂及1-2份成型剂，具体制备方法如下：
步骤A：混合碳化钨硬质相、粘接相及添加剂后添加成型剂通过酒精进行湿磨，在湿磨中加入定量成型剂，湿磨成混合物后备用；
步骤B：将上述混合物加入添加剂球磨6-48小时，球磨后期添加经过超声分散于酒精中的石墨烯及碳纳米管成原料备用；
步骤C：将上述原料进行干燥制粒，并压制成型为生胚备用；
步骤D：将上述生胚烧制成型为硬质合金。
进一步地，所述硬质相的晶粒尺寸为3-25微米。
进一步地，所述粘接相为钴制备或所述粘接相采用钴及镍的混合物制备；若采用钴及镍制备的粘接相，该粘接相内的镍质量最多为粘接相质量的百分之五十。
进一步地，所述添加剂包括晶粒抑制剂、石墨烯和碳纳米管，所述添加剂质量至多为所述粘接剂质量的百分之八，所述晶粒抑制剂包含Cr,V,Ta,Nb,Ti,Zr,Hf,Mo中的一种或多种晶粒抑制剂元素。
进一步地，所述步骤D的烧制过程为：800℃-900℃下脱脂，1360℃~1480℃高温烧结，高温烧结时炉内Ar气分压保持50~200MPa，保温时间控制在0.5~2小时。
本发明对比现有技术可实现以下有益效果：本发明的目的在于提供一种矿用硬质合金，通过添加石墨烯和碳纳米管能有效地提高硬质合金的综合硬度和韧性，改善其红硬性及抗磨损性能。通过优化改善后的硬质合金可提高岩石钻凿工具寿命30%。
具体实施方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：合金包含80~97wt%重量比的碳化钨硬质相，晶粒尺寸为3~25微米。合金剩余组分由粘接相和添加元素组成。其中粘接相可以为钴，或钴和镍组成，镍含量最高占粘接相的50%。添加剂包括晶粒抑制剂、石墨烯和碳纳米管，含量最高可占粘结相的8%。
制备矿用硬质合金的方法包括如下步骤：
原料：
WC粉：单一粒度的WC粉。
粘结相：单一粒度的Co粉，或单一粒度的Co粉与Ni粉的组合。
成型剂：石蜡，聚乙二醇。
晶粒抑制剂包含Cr,V,Ta,Nb,Ti,Zr,Hf,Mo中的一种或多种晶粒抑制剂元素。
添加剂：石墨烯和碳纳米管
混合料制备：按照WC占总重量比的80~97wt%，添加元素占剩余重量最高8%，和配比的粘结相粉末加酒精或水混合湿磨。在湿磨前和石墨中掺入占WC、粘结剂、添加元素和成型剂总量为1~2wt%的成型剂。
将上述配合好的原料进行球磨，球磨时间为6~48小时。
球磨后期添加经过超声分散于酒精或水中的石墨烯和碳纳米管。
球磨后的原料进行干燥制粒，并压制成型为生胚。
压制后的生胚在烧结炉中烧制成硬质合金，其中烧结过程包括：800℃-900℃下脱脂，1360℃~1480℃高温烧结，高温烧结时炉内Ar气分压保持50~200MPa，保温时间控制在0.5~2小时。

Claims (8)

1.一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，包括碳化钨硬质相80-97份、2-8份粘接相、1-2份添加剂及1-2份成型剂，具体制备方法如下：
步骤A：混合碳化钨硬质相、粘接相及添加剂后添加成型剂通过水进行湿磨，在湿磨中加入定量成型剂，湿磨成混合物后备用；
步骤B：将上述混合物加入添加剂球磨6-48小时，球磨后期添加经过超声分散于水中的石墨烯及碳纳米管成原料备用；
步骤C：将上述原料进行干燥制粒，并压制成型为生胚备用；
步骤D：将上述生胚烧制成型为硬质合金。
2.一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，包括碳化钨硬质相80-97份、2-8份粘接相、1-2份添加剂及1-2份成型剂，具体制备方法如下：
步骤A：混合碳化钨硬质相、粘接相及添加剂后添加成型剂通过酒精进行湿磨，在湿磨中加入定量成型剂，湿磨成混合物后备用；
步骤B：将上述混合物加入添加剂球磨6-48小时，球磨后期添加经过超声分散于酒精中的石墨烯及碳纳米管成原料备用；
步骤C：将上述原料进行干燥制粒，并压制成型为生胚备用；
步骤D：将上述生胚烧制成型为硬质合金。
3.根据权利要求1或2的一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，所述硬质相的晶粒尺寸为3-25微米。
4.根据权利要求1或2的一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，所述粘接相为钴制备或所述粘接相采用钴及镍的混合物制备；若采用钴及镍制备的粘接相，该粘接相内的镍质量最多为粘接相质量的百分之五十。
5.根据权利要求1或2的一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，所述添加剂包括晶粒抑制剂、石墨烯和碳纳米管，所述添加剂质量至多为所述粘接剂质量的百分之八，所述晶粒抑制剂包含Cr,V,Ta,Nb,Ti,Zr,Hf,Mo中的一种或多种晶粒抑制剂元素。
6.根据权利要求1或2的一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，所述步骤D的烧制过程为：800℃-900℃下脱脂，1360℃~1480℃高温烧结，高温烧结时炉内Ar气分压保持50~200MPa，保温时间控制在0.5~2小时。
7.根据权利要求1或2的一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，所述成型剂采用石蜡及聚乙二醇制备而成。
8.根据权利要求1或2的一种矿用工具硬质合金及其制备方法，其特征在于，所述碳化钨硬质相为单一粒度的碳化钨硬质相。
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