矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿及其制备方法。矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，包括表层、过渡层和芯部；原料各组分的平均质量百分含量为硬质相83%～86%、粘结相9%～10%和纳米添加剂5%～7%；表层的粘结相质量百分含量低于平均值，过渡层的粘结相质量百分含量高于平均值，芯部的粘结相质量百分含量为平均值。其制备方法，包括球磨混粉、干燥及掺胶、压型及干燥、梯度烧结。本发明专利技术将纳米稀土引入到硬质合金制备这一领域，提高硬质合金的综合性能。采用独特的梯度烧结程序使得梯度厚度均匀可控，性能稳定。所述方法生产效率高，对环境无污染，适应工业要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及稀土材料表面技术开发与应用领域，具体为一种。
技术介绍
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。硬质合金是典型的脆性材料。传统均匀硬质合金材料其各部分的成分和组织均匀，其主要成分包含各种硬质相(主要为碳化物，如碳化钨WC、碳化钛TiC等固溶体相)和粘结相(如Co);硬质相对合金的硬度与耐磨性起重要作用，粘结相对合金的强韧性产生重要影响。一般来说，增大WC晶粒尺寸或者增加Co含量，使合金的粘结相厚度增加，就可以改善合金塑性。塑性好的合金，局部集中应力可因形变而松弛；塑性差的合金，因应力松弛引起裂纹的萌生和扩展，致使合金碎裂。所以，传统方法是将提高合金的Co含量和增大WC晶粒尺寸作为提高硬质合金韧性的方向。但这样同时又会使得硬度和耐磨性下降；反之，硬度和耐磨性可以提高，却会牺牲抗弯强度和冲击韧性。因此，在硬质合金材料的硬度和韧性之间存在着尖锐的矛盾，要想得到硬度与韧性同时都非常高的传统均匀硬质合金是不容易的。在许多服役条件下，传统均匀硬质合金的应用就会存在一定的局限性。矿用硬质合金如凿岩球齿、钻头等在工作时，不仅受到冲击载荷和扭转载荷作用，而且还要受到岩石的严重磨损，这就要求球齿、钻齿不仅要有足够的冲击韧性，而且要有较高的耐磨性才能完成其工作。因此，传统均匀结构硬质合金的硬度与韧性相互矛盾的局限性制约了其应用领域的进一步扩大，难以满足现代社会发展对硬质合金提出的“双高”(高硬度，高韧性)要求。硬质合金在使用时，不同工作部位往往有着不同的性能要求。凿岩硬质合金钻头就要求既耐磨又抗冲击。若能制造出表层硬度高、耐磨性好，内部韧性好、耐冲击的梯度结构硬质合金钻具，使材料的表面和内部分别承担耐磨和抗冲击功能，其使用效果就较组织均匀的硬质合金钻具要好。基于这种设想，在二十世纪八十年代，瑞典等国开发出了功能梯度结构硬质合金。瑞典山特维克(snadvik)凿岩工具公司利用这项专利技术，己推出牌号为DP55、DP60及DP65的双性能硬质合金。这类合金呈现三层结构，在合金的最外层和中间层均为WC+Y两相组织，内层则为WC+Y +n三相组织。在合金的最外层，其钻相含量低于合金的名义含量，因而，合金表层具有高的硬度和好的耐磨损性能；在合金的中间层，其钻相含量高于合金的名义含量，因而，合金的中间层具有好的韧性，使合金能够承受较大的载荷，特别是冲击载荷。实验结果表明，DP合金的耐磨损性能和韧性明显优于普通的均匀结构硬质合金。它的产品主要用于耐冲击、旋转挤压和旋转切削钻探工具，其用量约占采矿和工程钻探工具用合金的30% 40%。采用这种双相结构硬质合金可以显著提高凿岩作业效率和降低钻采成本。例如，在石灰石隧道钻孔中，采用DP55圆锥形球齿的(t45mrn冲击钻头，在钻进速度为1.96m/mim情况下的平均寿命达到3121m，而普通硬质合金球齿的钻进速度和平均寿命分别为I. 48m/mim和IOOOm ;用DP60较重负荷球齿钻头在石英矿上凿孔时其平均寿命为83m，普通硬质合金球齿钻头的平均寿命仅为53m。目前，梯度结构硬质合金的研究已取得可喜的阶段成果，但仍存在许多基础理论问题与实践问题未能得到解决，致使此类材料的制造工艺难以控制，在国内仅在实验室中小型生产，但是离实际应用仍然有较大的差距。我国某些厂家虽然也大量生产矿用硬质合金，但主要集中在中低档的产品上，因 质量、品种与国外相比尚有一定差距而受到很大限制。比如在我国重点工程中所使用的高风压凿岩设备以及配套凿岩工具还比较落后的情况下，国外先进硬质合金生产企业凭借明显技术优势和客观条件，使相应产品在中国赢得了市场，其经济效益十分可观。稀土由于其具有一系列特殊的性质，已广泛应用于冶金材料、光学、磁学、电子学、机械、化工、原子能、农业和轻工业等部门。稀土作为添加剂、变质剂其本身直接产值和利润虽不高，但所产生的二次经济效益可增值数十倍甚至数百倍。我国稀土资源丰富，储量居世界首位，综合生产能力居世界第二位。在国内外，稀土及其化合物的应用几乎遍及国民经济各个部门。稀土对硬质合金性能有明显的改善作用，大量研究表明，添加稀土能使硬质合金的强度、韧性有较大程度的提高，使添加稀土的硬质合金可以广泛应用于刀具材料、矿山工具、模具、顶锤等方面，有着极好的发展前景。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种，本专利技术以实现硬质合金耐冲击工具的高性能化及产业化为目的，以矿用硬质合金钻头齿为研究对象，对其产品特点、服役环境、失效特征及原因进行分析。通过配置特殊的硬质合金混合料，并向其中加入微量纳米级稀土来进行改性，利用纳米材料的小尺寸效应、表面效应等特征进行纳米化改性，通过外场作用强化稀土元素在合金层晶体组织中的扩散，实现稀土元素在梯度层间的位错取代。在此基础上，进行功能和结构设计，研究确定纳米稀土表面强化梯度结构硬质合金产品的制造工艺，开发出的强韧性与耐磨性俱佳、综合性能优良的凿岩工具。本专利技术所解决的技术问题采用以下技术方案来实现 矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，包括表层、过渡层和芯部；原料各组分的平均质量百分含量为硬质相83% 86%、粘结相9% 10%和纳米添加剂5% 7% ;表层的粘结相质量百分含量低于平均值，过渡层的粘结相质量百分含量高于平均值，芯部的粘结相质量百分含量为平均值。所述过渡层的粘结相含量由外向内呈先增大后减小的连续分布。所述硬质相为碳化钨WC，粒度2 4 ii m，C的质量百分含量5. 9% 6. 0%。所述粘结相为Co粉，粒度为2 3 ii m，纯度〉99%。所述纳米添加剂为RE纳米粉和TiC纳米粉，RE纳米粉的原始颗粒尺寸为20 50nm , TiC纳米粉的原始颗粒尺寸为20 30nm。矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿的制备方法，具体步骤为 (1)球磨混粉将纳米添加剂和硬质相总质量的1/3放入滚筒球磨机预磨3 5h后，再加入粘结相和剩余硬质相球磨18 22h后卸料； (2)干燥及掺胶放入行星干燥器中烘干，温度为100 120°C，时间为30 60min;过100目筛，加入按80 100ml/kg配比的丁钠橡胶与汽油的混合物，再利用混料机混匀；然后用干燥器除去汽油； (3)压型及干燥用侧压式粉末压制液压机压型，压力为7 9MPa;压型完成后，用干燥 箱干燥； (4)梯度烧结烧结件进行真空脱脂烧结；氮气和氩气气压控制压力40 60Pa，排胶温度:400 600°C，烧结温度1300 1500。。。步骤(4)中烧结件彡1kg，步骤(3)中干燥时间为8 10小时。步骤(4)中烧结件> 1kg，步骤(3)中干燥时间为10 16小时。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是 (I)将纳米稀土引入到硬质合金制备这一领域，利用纳米材料的小尺寸效应、表面效应本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，其特征是包括表层、过渡层和芯部；原料各组分的平均质量百分含量为硬质相83% 86%、粘结相9% 10%和纳米添加剂5% 7% ;表层的粘结相质量百分含量低于平均值，过渡层的粘结相质量百分含量高于平均值，芯部的粘结相质量百分含量为平均值。2.根据权利要求I所述的矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，其特征是所述过渡层的粘结相含量由外向内呈先增大后减小的连续分布。3.根据权利要求I所述的矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，其特征是所述硬质相为碳化钨WC，粒度2 4 μ m，C的质量百分含量5. 9% 6. 0%。4.根据权利要求I所述的矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，其特征是所述粘结相为Co粉，粒度为2 3 μ m，纯度〉99%。5.根据权利要求I所述的矿用纳米稀土表面强化梯度硬质合金复合球齿，其特征是所述纳米添加剂为RE纳米粉和TiC纳米粉，RE纳米粉的原始颗粒尺寸为20 50nm，TiC纳米粉的原始颗粒尺寸为20 30nm。6.矿用纳米稀土表面强...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱世瑞，陈风雷，肖民，陈颢，
申请(专利权)人：赣县世瑞新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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