專利名稱：碳納米管-金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料及其制法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管增強(qiáng)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料。其為高強(qiáng)度、 高耐磨性復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
沖擊式鑿巖方法由于具有高效低耗的特點(diǎn)，廣泛地運(yùn)用于采礦、地質(zhì)、水 電、交通、建材等部門，成為鉆掘工程的主要破巖手段。但傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金鑿 巖工具耐磨性較差，特別是在鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石層時(shí)，效率較低，且鉆孔容易產(chǎn)生 "縮徑"。調(diào)査顯示，由于硬質(zhì)合金柱齒的磨損而使鉆頭的報(bào)廢比率高達(dá)40%， 且?guī)r石越硬，這一比率越高。人們嘗試將金剛石的高耐磨性與硬質(zhì)合金的高強(qiáng) 度結(jié)合在一起，制成耐磨抗沖擊的金剛石復(fù)合材料，以提高鉆頭、釬頭(潛孔 錘鉆頭)壽命及鉆進(jìn)效率。但金剛石的加入導(dǎo)致了金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料強(qiáng) 度、韌性急劇降低，使金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料還難以在鉆掘工程中得到實(shí)際 應(yīng)用，其中金剛石分布區(qū)域是復(fù)合材料的主要強(qiáng)度薄弱區(qū)、裂紋丌始區(qū)，
依據(jù)纖維增強(qiáng)理論，采用碳納米管增強(qiáng)金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料，大幅度 提高其強(qiáng)度、韌性，并提高硬度。碳納米管增強(qiáng)金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料，既 有纖維增強(qiáng)理論常規(guī)的裂紋橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、拔出效應(yīng)等機(jī)理，亦有其特殊的 一面。(1)從材料力學(xué)來(lái)看，金剛石是導(dǎo)致金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料強(qiáng)度、韌 性低的主要原因，碳納米管跨越金剛右薄弱區(qū)，即能起到增強(qiáng)作用。(2)從斷 裂力學(xué)來(lái)看，碳納米管橫跨金剛石所引起的裂紋尖端，能減弱尖端裂紋擴(kuò)展， 提高斷裂韌性。(3)從空間結(jié)構(gòu)上看，碳納米管在空間內(nèi)的搭接、交叉、聯(lián)絡(luò)、 分散成類似立體網(wǎng)狀；碳納米管的管狀結(jié)構(gòu)、很大的長(zhǎng)細(xì)比，利于與粘接劑結(jié) 合，且碳納米管的高強(qiáng)性能，使其在燒結(jié)體內(nèi)成為一個(gè)高強(qiáng)部分。
發(fā)明內(nèi)容
一種碳納米管增強(qiáng)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料:通過(guò)熱壓或等離子電火花等 燒結(jié)工藝制造而成，該材料為高強(qiáng)度、高耐磨性復(fù)合材料。利用纖維增強(qiáng)理論， 加入適量碳納米管，大幅度提高金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性，提高
幅度24.9%以上，并提高了硬度，提高幅度5.1%以上。該碳納米管-金剛石-硬質(zhì) 合金復(fù)合材料作為超硬部分用以制造各類礦山、油田鉆頭用硬質(zhì)合金齒，及其 它類型耐磨構(gòu)件。常規(guī)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合齒，是以硬質(zhì)合金作為柱體基體， 以金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料作為超硬冠部，因二者之間的強(qiáng)度、韌性差異較大， 常產(chǎn)生超硬冠部脫層、掉帽等現(xiàn)象。本發(fā)明材料應(yīng)用于鉆頭齒的制造根據(jù)生 產(chǎn)需要，確定對(duì)齒的性能要求，然后通過(guò)對(duì)金剛石濃度與復(fù)合材料性能之間的 關(guān)系、金剛石與碳化鎢粒度之比與復(fù)合材料性能之間的關(guān)系、纖維增韌作用、 超硬部分與柱體部分之間的含鈷量差異及二部分之間的弧面(球冠面)界面設(shè) 計(jì)等手段，使超硬部分與柱體基體之間的強(qiáng)度、韌性基本接近，克服了脫層、 掉帽等難題。
具體實(shí)施例方式
該復(fù)合材料的制造方法在制造含金剛石的各類硬質(zhì)合金復(fù)合材料時(shí)，加入 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.6%的碳納米管，采用熱壓(或等離子電火花)燒結(jié)工藝，生 產(chǎn)出碳納米管增強(qiáng)金剛石/硬質(zhì)合金類復(fù)合材料。
配方質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%-0.5%碳納米管，金剛石濃度》30%，粘結(jié)劑3%-25%
(采用熱壓燒結(jié)時(shí)，粘結(jié)劑為鈷+鎳+磷，鈷鎳磷=8 : 3 : 0.5;采用等離子
電火花燒結(jié)時(shí)，粘結(jié)劑為鈷)，其余為碳化鎢。
制造工藝(1)先將碳納米管純化、分散；(2)再將碳納米管、金剛石、碳
化鎢粉料、鈷粉、鎳粉、磷等充分混和均勻(采用等離子電火花燒結(jié)時(shí)，將碳
納米管、金剛石、碳化鎢粉料、鈷粉等充分混和均勻)；(3)然后將混和好的粉 料裝于模具內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫度1030-1060'C，燒結(jié)壓 力20-55MPa,保溫保壓時(shí)間3-5分鐘。等離子電火花燒結(jié)工藝參數(shù)為燒結(jié)溫 度《1200'C，燒結(jié)壓力《55MPa，保溫保壓時(shí)間》3分鐘。
在制造各類礦山、油田鉆頭用硬質(zhì)合金齒時(shí)，將碳納米管增強(qiáng)金剛石-硬質(zhì) 合金復(fù)合材料作為超硬冠部，用于鉆鑿巖石。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管增強(qiáng)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料該材料為高強(qiáng)度、高耐磨性復(fù)合材料。
2. 復(fù)合材料的制備方法利用纖維增強(qiáng)理論，在制造各類含金剛石的硬質(zhì)合金 復(fù)合材料時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.6%的碳納米管，采用熱壓(或等離子電火 花)燒結(jié)工藝，生產(chǎn)出碳納米管增強(qiáng)金剛石/硬質(zhì)合金復(fù)合材料。
3. 該碳納米管增強(qiáng)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料作為超硬部分用以制造各類礦山、油田鉆頭用硬質(zhì)合金齒，作為齒的高強(qiáng)耐磨冠部，并應(yīng)用于其它類型耐磨 構(gòu)件。
全文摘要
一種碳納米管增強(qiáng)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料該材料為高強(qiáng)度、高耐磨性復(fù)合材料。利用纖維增強(qiáng)理論，加入適量碳納米管，大幅度提高金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性，提高幅度24.9％以上，并提高了硬度，提高幅度5.1％。復(fù)合材料的制備方法在制造含金剛石各類硬質(zhì)合金復(fù)合材料時(shí)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.6％的碳納米管，采用熱壓(或等離子電火花)燒結(jié)工藝，生產(chǎn)出碳納米管增強(qiáng)金剛石-硬質(zhì)合金類復(fù)合材料。該碳納米管增強(qiáng)的金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合材料作為超硬部分用以制造各類礦山、油田鉆頭用硬質(zhì)合金齒，及其它類型耐磨構(gòu)件。
文檔編號(hào)C22C29/00GK101191169SQ20061014497
公開(kāi)日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者張祖培, 彭新明 申請(qǐng)人:彭新明;張祖培