一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法技术

一种金刚石夹心式硬质合金矿山凿岩钻头用球齿的制备方法，属于金刚石材料领域。本发明专利技术在常规硬质合金球齿截面中心事先设计和加工出φ1.3～3.0mm小孔，然后将人造金刚石颗粒和铜合金混合粉，通过装料和压制将人造金刚石混合粉在硬质合金小孔内形成高密度压坯，随后进行两段式烧结，即低温钎焊和高温固化，制备成金刚石夹心式硬质合金复合球齿。采用表面硬度、弹性模量和抗压强度都非常高的硬质合金小孔，作为金刚石颗粒物高强度、高刚度的支撑条件，能够对每颗金刚石颗粒提供一种在三维上能获得完全稳定的高负荷、三维高强度的刚性支撑条件，是金刚石颗粒在受到强大的剪切和冲击力的同时，能发挥高切削速度和高耐磨性，明显节省了金刚石的用量，适合大规模生产，投资低。

Preparation method of diamond sandwich carbide composite ball tooth

The invention relates to a method for preparing a diamond sandwich hard alloy mine drill bit, belonging to the diamond material field. The present invention in the center section of conventional hard alloy ball tooth prior to design and manufacture of 1.3 ~ 3.0mm in diameter hole, and then the artificial diamond particles and copper alloy powder, by loading and pressing high density compacts formed of synthetic diamond hard alloy powders in the holes, then in the two stage of sintering, brazing and low-temperature high temperature curing, preparation of diamond hard alloy composite sandwich type ball tooth. The hard alloy hole by surface hardness, elastic modulus and compressive strength are very high, as the supporting conditions of diamond particles with high strength, high rigidity, can provide a three-dimensional can obtain high strength and high load, completely stable in 3D rigid supporting conditions on each diamond particles, is diamond particles under shear and strong impact force at the same time, it can play a high cutting speed and high wear resistance, reduced significantly the amount of diamond, suitable for mass production, low investment.

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法
本专利技术属于金属材料中硬质合金矿山工具材料及合金部件的制备方法领域，特别是提供了一种人造金刚石夹心式球齿的生产方法，即在常规硬质合金矿山球齿的心部，事先设计和制造出直径为φ＜1.3～3.0mm的中心通孔。再将人造金刚石颗粒和铜合金的混合粉装入球齿小孔，压制成高密度压坯，然后进行两段式烧结处理，即低温钎焊和高温固化，最终制备成一种拥有钻进速度和耐磨性能极佳的新型人造金刚石夹心式硬质合金矿山钻头用球齿。
技术介绍
我国是硬质合金生产大国，每年产量超过8000吨。我国钨资源十分丰富，占世界首位，每年在矿山工具方面消耗的硬质合金超过1500吨。随着国民经济的不断发展，在铁路、公路、矿山、煤矿及房地产等行业中大量需要硬质合金矿山球齿。由于矿山球齿钻头使用的条件往往是潮湿及严寒，且通风、排尘十分恶劣的地下和山洞条件下，显然无论何人都希望球齿钻头的的切削速度快，使用寿命长。但遗憾的是多年来矿山球齿钻头的性能没有多大变化。这主要是因为硬质合金中采用的硬质相为碳化钨相(WC)，其维氏硬度为Hv＝1780(kg/mm2)。但是实际矿山凿岩的石材中往往含有比WC还硬的颗粒，如氧化锆、氧化铝、碳化钒、碳化钛以及很多复合陶瓷颗粒。这些颗粒的维氏硬度远比WC硬度高，因此仅靠硬质合金中WC的高硬度进行切削岩石是有限的。人们很早就想到在钻头工作时利用强大的撞击力，先将岩石表面撞裂再进行切削。实际上为了适应抗冲击力的使用条件，在生产合金时特地使用粗颗粒WC粉，形成了一种特有的耐冲击性很好的YG11C牌号的硬质合金，尽管如此，地质工作者和矿山工作者仍希望在钻头合金材料上能有更新的突破。众所周知，金刚石是自然界硬度最高的物质，80年代后期我国人造金刚石产量已跃居世界第一。但直径φ5mm长10mm大颗粒聚晶金刚石，仍不能常规生产，产品质量差。近30年来的文献检索表明，没有任何液态金属能够完全浸润(浸润角为零)金刚石表面。在近20年来国内外提出了含强碳化物形成元素(Cr、Ti、Si等)的低熔点铜合金液可以完全浸润金刚石的看法，这实际上不是纯粹的浸润过程，而是金刚石表面已变成了石墨物质，故其仍然是包镶。这实际上说，近年来在工业上通常采用的铜合金与人造金刚石颗粒在低温表层或深厚表层(孕镶)钎焊，只不过是在高温下用已经软化的低熔点金属将金刚石颗粒，机械式的包镶起来。这样从材料结构上就会出现下列致命的弱点：1、低熔点金属和合金(一般硬度低、强度低、刚度低，易变形)不能对金刚石颗粒提供大负荷的三维方向上的高强度的刚性包镶和支撑，又没有很强的焊接界面，在切削工作时由于包镶金属过软易变形而使金刚石颗粒很容易脱落，故只能在高速条件下，利用金刚石的动能切削能力完成切削任务。正因如此，势必要求切削工具的速度为高速。一般线速度＞50米/秒为佳。2、金刚石工具必须在水冷或者强风冷条件下才能工作，否则因低熔点金属很快升温软化，同时其膨胀系数大于金刚石，很易使包镶界面间隙加大，从而强度下降，失去包镶和硬支撑条件，金刚石很快脱落。在现有的各种金刚石切割机上，一般都能满足高速线速度50～200米/秒和水冷条件，因此孕镶锯片及磨轮、磨块在基建、建材行业和金属磨削加工行业中广泛使用。遗憾的是在凿岩球齿钻头中因钻杆的速度很低(线速度)＜10～20(米/秒)大部分又只能采用半水冷半风冷的冷却条件，其冷却效果差，同时又有频率很高、压力很大的冲击力的作用，因此若想在硬质合金球齿内加入金刚石时，就必须考虑在凿岩球齿中如何能创造出在金刚石颗粒周围提供可以承受高负荷、三维方向上均具有不变形不破裂的刚性支撑小孔壁，这是多少年来材料工作者梦寐以求的幻想。专利申请号为201110072187.2所申请的聚晶金刚石-硬质合金复合碎岩球齿潜孔钻头及其制造工艺中，公开了一种通过向球齿钻头心部事先制出小孔，将聚晶金刚石圆柱体热装到球齿钻头预制小孔内，从而得到一种具有优良冲击破碎岩石能力的聚晶金刚石-硬质合金复合球齿潜孔钻头。但是这种专利是毫无使用价值的，原因之一是该专利中所使用的金刚石为聚晶金刚石圆柱，这种圆柱实际上是将金刚石颗粒物装入叶腊石模具内再一次在高温、超高压下热压合成的金刚石聚合体，该专利所需的金刚石圆柱体最小直径1mm，最小高度1mm，最大尺寸φ30×50mm。但是实际上尺寸为φ5mm×5mm的聚晶体已经是宝石级的东西，更不要谈聚晶圆柱体表面是否光滑、平整、有无多晶界面缺陷等，按照此专利要求圆柱体直径公差必须达到±0.05mm，这是不可能达到的；其二是该专利要求聚晶金刚石圆柱与球齿中心孔径配合过盈量在0.01～0.05mm之间，试问人造金刚石聚晶体的原始表面状态与原始尺寸公差与该专利要求的有多少差距，显然该专利专利技术人没有一点实际知识。而实际高压聚晶体制造出的圆柱体很不规则，表面也很粗糙，加工研磨十分困难；其三是金刚石本身为脆性材料，容易断裂，而聚晶金刚石圆柱体表面和圆柱体内界面多，加剧了材料的断裂脆性，实践证明在过盈装配时金刚石圆柱早已断裂。说明此专利毫无使用价值，
技术实现思路
为了解决上述存在问题，本专利技术从材料的制备方法上及钻孔材料结构上进行了创新，特别是本研究发现，当硬质合金球齿界面内小孔的截面直径d与合金球齿截面直径D之间，当d/D≤0.15时，合金柱体的外围所受的剪切外力及由此面产生的弹性、塑性形变不会波及小孔内壁。也就是说，球齿内的小孔在球齿受到外力时小孔始终可以保持内径不变形的刚性特性。显然，若把金刚石颗颗粒焊在这种刚性小孔内，其包镶效果和使用过程中的支撑作用将会明显改善，为此本专利技术提出了在强度和刚度很高的硬质合金小孔内装入人造金刚石和铜合金混合粉，先压制成高密度压坯再经高温钎焊把多刃口的人造金刚石颗粒物焊接固定在硬质合金球齿小孔内，在工作时硬质合金的小孔壁将会承担和代替孕镶金刚石合金中柔软的包镶铜合金的作用。一种金刚石夹心式的硬质合金凿岩钻头用球齿的制备工艺；其具体内容如下：1)在硬质合金球齿截面中心按照d/D≤0.15原则，采用人造金刚石夹心式球齿的生产工艺，在常规硬质合金球齿截面的中心处事先设计和加工出直径φ＜1.3～3.0mm的小孔，再将专门设计的人造金刚石颗粒和铜合金混合粉装入球齿小孔内压成高密度压坯，相对密度80％。2)采用两段式烧结工艺，即低温钎焊、高温扩散固化，最终制成人造金刚石夹心式球齿，首先在第一段较低烧结温度下用663铜合金粉作为钎焊料，完成低熔点合金包覆金刚石颗粒的任务；随后当第二段烧结温度提高后利用加入的铬铁和钛铁向663铜合金中扩散作用，提高铜合金中铬、钛、铁的含量，从而提高包覆合金熔点和强度。进一步，人造金刚石夹心工艺中，使用的人造金刚石和铜合金混合粉成分为：人造金刚石颗粒50～60wt％，663青铜合金粉35～40wt％，铬铁粉3～7％，钛铁粉1.5～3wt％，另加入0.5～1wt％聚乙烯醇(PVA)混合液，将上述原料在U型混料机中混合1～2小时，随后在真空干燥箱中80℃干燥2～3h。进一步，在人造金刚石夹心工艺中所使用的硬质合金成分为通用合金YG11C牌号，制备过程严格按照YG11C合金生产工艺生产；所得球齿的中心小孔直径φ1.3～3.0±0.1mm，并且为轴向贯通孔；中心孔内表面的粗糙度和中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法，其特征在于具体步骤如下：1)在硬质合金球齿截面中心按照d/D≤0.15原则，采用人造金刚石夹心式球齿的生产工艺，在常规硬质合金球齿截面的中心处事先设计和加工出直径φ＜1.3～3.0mm的小孔，再将专门设计的人造金刚石颗粒和铜合金混合粉装入球齿小孔内压成高密度压坯，相对密度80％；2)采用两段式烧结工艺，即低温钎焊、高温扩散固化，最终制成人造金刚石夹心式球齿，首先在第一段较低烧结温度下用663铜合金粉作为钎焊料，完成低熔点合金包覆金刚石颗粒的任务；随后当第二段烧结温度提高后利用加入的铬铁和钛铁向663铜合金中扩散作用，提高铜合金中铬、钛、铁的含量，从而提高包覆合金熔点和强度。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法，其特征在于具体步骤如下：1)在硬质合金球齿截面中心按照d/D≤0.15原则，采用人造金刚石夹心式球齿的生产工艺，在常规硬质合金球齿截面的中心处事先设计和加工出直径φ＜1.3～3.0mm的小孔，再将专门设计的人造金刚石颗粒和铜合金混合粉装入球齿小孔内压成高密度压坯，相对密度80％；2)采用两段式烧结工艺，即低温钎焊、高温扩散固化，最终制成人造金刚石夹心式球齿，首先在第一段较低烧结温度下用663铜合金粉作为钎焊料，完成低熔点合金包覆金刚石颗粒的任务；随后当第二段烧结温度提高后利用加入的铬铁和钛铁向663铜合金中扩散作用，提高铜合金中铬、钛、铁的含量，从而提高包覆合金熔点和强度。2.根据权利要求1所述一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法，其特征在于人造金刚石夹心工艺中，使用的人造金刚石和铜合金混合粉成分为：人造金刚石颗粒50～60wt％，663青铜合金粉35～50wt％，铬铁粉3～7％，钛铁粉1.5～3wt％，另加入0.5～1wt％聚乙烯醇(PVA)混合液，将上述原料在U型混料机中混合1～2小时，随后在真空干燥箱中80℃干燥2～3h。3.根据权利要求1所述一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法，其特征在于在人造金刚石夹心工艺中所使用的硬质合金成分为通用合金YG11C牌号，制备过程严格按照YG11C合金生产工艺生产；所得球齿的中心小孔为轴向贯通孔；中心孔内表面的粗糙度和中心孔垂直度均按烧结后自然态。4.根据权利要求1所述一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法，其特征在于在人造金刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志猛，吴成义，孙江胜，李沛，舒进锋，吴庆华，郭雷辰，赵翔，吴立成，李琴，崔倩月，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11