一種礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤礦用復(fù)合球齒制備領(lǐng)域，具體是一種礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)合金球齒及鉆齒是一種廣泛用于潛孔錘鉆頭、牙輪鉆頭、釬頭和大直徑滾刀鉆頭等的碎巖材料，主要是以沖擊和滾壓方式破碎巖石，由于具有沖擊或微沖擊載荷作用，當(dāng)鉆進(jìn)中硬至堅(jiān)硬地層時(shí)，能比純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式提高效率5?10倍，在礦山開采、油井鉆進(jìn)、地質(zhì)勘探以及其他鉆鑿巖石工程中作為工具材料得到廣泛地使用，占全部硬質(zhì)合金用量的三分之一。隨著鑿巖技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)鑿巖硬質(zhì)合金的質(zhì)量要求也越來越高，而鑿巖用硬質(zhì)合金質(zhì)量的好壞，直接決定了其使用性能。
[0003]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。可見，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)明的目的在于提供一種具有高耐磨性和韌性的礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒及其制備方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質(zhì)合金基體層組成；所述硬質(zhì)合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同；所述聚晶金剛石層通過中間層與硬質(zhì)合金基體層的半球體外表面粘接，所述聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.05-2.3mm ;所述聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，所述中間層按照質(zhì)量百分比的原料由碳氮化鈦50-60%和立方氮化硼40-50%組成，所述硬質(zhì)合金基體層按照質(zhì)量百分比的原料由碳氮化鈦50-60%、立方氮化硼34-44%和鈷粉6_7%組成。
[0007]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述硬質(zhì)合金基體層中，半球體的直徑比圓柱體的直徑小 4.1-4.6mm。
[0008]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1:1-1.5。
[0009]所述的礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，包括以下步驟:
(I)硬質(zhì)合金基體層的制備:按照質(zhì)量比，稱取碳氮化鈦50-60份、立方氮化硼34-44份和鈷粉6-7份并加入球磨機(jī)中，以無水酒精為介質(zhì)，硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，研磨12小時(shí)后，分離出混合物料并將其置于溫度為60-80°C的烘箱內(nèi)干燥6-8h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入混合物料總質(zhì)量1.8-2%的聚乙烯醇濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻并烘干至混合物料的含水量為0.08-0.12%，再將混合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1280-1300°C燒結(jié)120-150min，最后將其溫度降至300_350°C均溫3h，冷卻至室溫得到鈷含量呈梯度分布的硬質(zhì)合金基體層；
(2)中間層和聚晶金剛石層的制備:按照質(zhì)量比，稱取碳氮化鈦50-60份和立方氮化硼40-50份并混合均勻，再將其預(yù)壓成與硬質(zhì)合金基體層相配合的空心半球體狀的中間層，置于硬質(zhì)合金基體層的上端球體外表面；接著在中間層的外表面預(yù)壓聚晶金剛石層，得到待復(fù)合的硬質(zhì)合金球齒，此時(shí)中間層與聚晶金剛石層的厚度之和為2.5-2.8mm ；
(3)高壓燒結(jié):對(duì)待復(fù)合的硬質(zhì)合金球齒進(jìn)行去油污和去表面氧化膜處理后，在4.8-5.0GPa的壓力下、1300_1320°C的溫度下保持20_30min，最后在1000_1050°C進(jìn)行退火處理5-8min，空冷至常溫，即得到礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒。
[0010]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述步驟(3)中，去油污處理是采用表面活性劑洗滌去除油污，去表面氧化膜處理是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。
[0011]作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:所述硬質(zhì)合金基體層的鈷含量呈由外向內(nèi)增加的梯度分布O
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明首先以高硬度的碳氮化鈦、立方氮化硼和鈷粉為原料，燒結(jié)制得硬質(zhì)合金基體層，其中的鈷含量呈由外向內(nèi)增加的梯度分布，增加了硬質(zhì)合金基體層表面的強(qiáng)度和耐磨性；中間層直接采用高硬度的碳氮化鈦和立方氮化硼，能夠提高材料的強(qiáng)度，聚晶金剛石層的耐磨性很高，將高耐磨性的聚晶金剛石復(fù)合到硬質(zhì)合金基體層表面，能夠?qū)崿F(xiàn)耐磨性和韌性的平衡效果。本發(fā)明具有很高的耐磨性和韌性，能夠大幅度提升使用壽命，提高工作效率，降低操作成本。
[0013]本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，對(duì)環(huán)境無污染，適應(yīng)工業(yè)要求。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0015]實(shí)施例1
本發(fā)明實(shí)施例中，一種礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質(zhì)合金基體層組成；硬質(zhì)合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同，半球體的直徑比圓柱體的直徑小4.1mm;聚晶金剛石層通過中間層與硬質(zhì)合金基體層的半球體外表面粘接，聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.05mm,聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1:1 ;聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，中間層按照質(zhì)量百分比的原料由碳氮化鈦50%和立方氮化硼50%組成，硬質(zhì)合金基體層按照質(zhì)量百分比的原料由碳氮化鈦60%、立方氮化硼34%和鈷粉6%組成。
[0016]所述的礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，包括以下步驟:
(1)硬質(zhì)合金基體層的制備:按照質(zhì)量比，稱取碳氮化鈦60份、立方氮化硼34份和鈷粉6份并加入球磨機(jī)中，以無水酒精為介質(zhì)，硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，研磨12小時(shí)后，分離出混合物料并將其置于溫度為70°C的烘箱內(nèi)干燥7h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入混合物料總質(zhì)量1.8%的聚乙烯醇濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻并烘干至混合物料的含水量為0.08-0.12%，再將混合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1300°C燒結(jié)120min，最后將其溫度降至350°C均溫3h，冷卻至室溫得到鈷含量呈由外向內(nèi)增加的梯度分布的硬質(zhì)合金基體層；
(2)中間層和聚晶金剛石層的制備:按照質(zhì)量比，稱取碳氮化鈦50份和立方氮化硼50份并混合均勻，再將其預(yù)壓成與硬質(zhì)合金基體層相配合的空心半球體狀的中間層，置于硬質(zhì)合金基體層的上端球體外表面；接著在中間層的外表面預(yù)壓聚晶金剛石層，得到待復(fù)合的硬質(zhì)合金球齒，此時(shí)中間層與聚晶金剛石層的厚度之和為2.5mm ；
(3)高壓燒結(jié):對(duì)待復(fù)合的硬質(zhì)合金球齒進(jìn)行去油污和去表面氧化膜處理，去油污處理是采用表面活性劑洗滌去除油污，去表面氧化膜處理是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；接著在4.9GPa的壓力下、1310°C的溫度下保持25min，最后在1050°C進(jìn)行退火處理5min，空冷至常溫，即得到礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒。
[0017]實(shí)施例2
本發(fā)明實(shí)施例中，一種礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質(zhì)合金基體層組成；硬質(zhì)合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同，半球體的直徑比圓柱體的直徑小4.4mm ;聚晶金剛石層通過中間層與硬質(zhì)合金基體層的半球體外表面粘接，聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.2mm,聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1:1.3 ;聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，中間層按照質(zhì)量百分比的原料由碳氮化鈦60%和立方氮化硼40%組成，硬質(zhì)合金基體層按照質(zhì)量百分比的原料由碳氮化鈦50%、立方氮化硼43%和鈷粉7%組成。
[0018]所述的礦用硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法，包括以下步驟:
(1)硬質(zhì)合金基體層的制備:按照質(zhì)量比，稱取碳氮化鈦50份、立方氮化硼43份和鈷粉7份并加入球磨機(jī)中，以無水酒精為介質(zhì)，硬質(zhì)合金球?yàn)檠心ンw，研磨12小時(shí)后，分離出混合物料并將其置于溫度為80°C的烘箱內(nèi)干燥6h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入