一種金剛石夾心式硬質(zhì)合金復(fù)合球齒的制備方法與流程

本發(fā)明屬于金屬材料中硬質(zhì)合金礦山工具材料及合金部件的制備方法領(lǐng)域，特別是提供了一種人造金剛石夾心式球齒的生產(chǎn)方法，即在常規(guī)硬質(zhì)合金礦山球齒的心部，事先設(shè)計(jì)和制造出直徑為φ＜1.3～3.0mm的中心通孔。再將人造金剛石顆粒和銅合金的混合粉裝入球齒小孔，壓制成高密度壓坯，然后進(jìn)行兩段式燒結(jié)處理，即低溫釬焊和高溫固化，最終制備成一種擁有鉆進(jìn)速度和耐磨性能極佳的新型人造金剛石夾心式硬質(zhì)合金礦山鉆頭用球齒。

背景技術(shù)：

我國(guó)是硬質(zhì)合金生產(chǎn)大國(guó)，每年產(chǎn)量超過(guò)8000噸。我國(guó)鎢資源十分豐富，占世界首位，每年在礦山工具方面消耗的硬質(zhì)合金超過(guò)1500噸。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在鐵路、公路、礦山、煤礦及房地產(chǎn)等行業(yè)中大量需要硬質(zhì)合金礦山球齒。由于礦山球齒鉆頭使用的條件往往是潮濕及嚴(yán)寒，且通風(fēng)、排塵十分惡劣的地下和山洞條件下，顯然無(wú)論何人都希望球齒鉆頭的的切削速度快，使用壽命長(zhǎng)。但遺憾的是多年來(lái)礦山球齒鉆頭的性能沒(méi)有多大變化。這主要是因?yàn)橛操|(zhì)合金中采用的硬質(zhì)相為碳化鎢相(WC)，其維氏硬度為Hv＝1780(kg/mm²)。但是實(shí)際礦山鑿巖的石材中往往含有比WC還硬的顆粒，如氧化鋯、氧化鋁、碳化釩、碳化鈦以及很多復(fù)合陶瓷顆粒。這些顆粒的維氏硬度遠(yuǎn)比WC硬度高，因此僅靠硬質(zhì)合金中WC的高硬度進(jìn)行切削巖石是有限的。人們很早就想到在鉆頭工作時(shí)利用強(qiáng)大的撞擊力，先將巖石表面撞裂再進(jìn)行切削。實(shí)際上為了適應(yīng)抗沖擊力的使用條件，在生產(chǎn)合金時(shí)特地使用粗顆粒WC粉，形成了一種特有的耐沖擊性很好的YG11C牌號(hào)的硬質(zhì)合金，盡管如此，地質(zhì)工作者和礦山工作者仍希望在鉆頭合金材料上能有更新的突破。

眾所周知，金剛石是自然界硬度最高的物質(zhì)，80年代后期我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量已躍居世界第一。但直徑φ5mm長(zhǎng)10mm大顆粒聚晶金剛石，仍不能常規(guī)生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量差。近30年來(lái)的文獻(xiàn)檢索表明，沒(méi)有任何液態(tài)金屬能夠完全浸潤(rùn)(浸潤(rùn)角為零)金剛石表面。在近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外提出了含強(qiáng)碳化物形成元素(Cr、Ti、Si等)的低熔點(diǎn)銅合金液可以完全浸潤(rùn)金剛石的看法，這實(shí)際上不是純粹的浸潤(rùn)過(guò)程，而是金剛石表面已變成了石墨物質(zhì)，故其仍然是包鑲。這實(shí)際上說(shuō)，近年來(lái)在工業(yè)上通常采用的銅合金與人造金剛石顆粒在低溫表層或深厚表層(孕鑲)釬焊，只不過(guò)是在高溫下用已經(jīng)軟化的低熔點(diǎn)金屬將金剛石顆粒，機(jī)械式的包鑲起來(lái)。這樣從材料結(jié)構(gòu)上就會(huì)出現(xiàn)下列致命的弱點(diǎn)：

1、低熔點(diǎn)金屬和合金(一般硬度低、強(qiáng)度低、剛度低，易變形)不能對(duì)金剛石顆粒提供大負(fù)荷的三維方向上的高強(qiáng)度的剛性包鑲和支撐，又沒(méi)有很強(qiáng)的焊接界面，在切削工作時(shí)由于包鑲金屬過(guò)軟易變形而使金剛石顆粒很容易脫落，故只能在高速條件下，利用金剛石的動(dòng)能切削能力完成切削任務(wù)。正因如此，勢(shì)必要求切削工具的速度為高速。一般線速度＞50米/秒為佳。

2、金剛石工具必須在水冷或者強(qiáng)風(fēng)冷條件下才能工作，否則因低熔點(diǎn)金屬很快升溫軟化，同時(shí)其膨脹系數(shù)大于金剛石，很易使包鑲界面間隙加大，從而強(qiáng)度下降，失去包鑲和硬支撐條件，金剛石很快脫落。

在現(xiàn)有的各種金剛石切割機(jī)上，一般都能滿足高速線速度50～200米/秒和水冷條件，因此孕鑲鋸片及磨輪、磨塊在基建、建材行業(yè)和金屬磨削加工行業(yè)中廣泛使用。遺憾的是在鑿巖球齒鉆頭中因鉆桿的速度很低(線速度)＜10～20(米/秒)大部分又只能采用半水冷半風(fēng)冷的冷卻條件，其冷卻效果差，同時(shí)又有頻率很高、壓力很大的沖擊力的作用，因此若想在硬質(zhì)合金球齒內(nèi)加入金剛石時(shí)，就必須考慮在鑿巖球齒中如何能創(chuàng)造出在金剛石顆粒周圍提供可以承受高負(fù)荷、三維方向上均具有不變形不破裂的剛性支撐小孔壁，這是多少年來(lái)材料工作者夢(mèng)寐以求的幻想。專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110072187.2所申請(qǐng)的聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合碎巖球齒潛孔鉆頭及其制造工藝中，公開(kāi)了一種通過(guò)向球齒鉆頭心部事先制出小孔，將聚晶金剛石圓柱體熱裝到球齒鉆頭預(yù)制小孔內(nèi)，從而得到一種具有優(yōu)良沖擊破碎巖石能力的聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合球齒潛孔鉆頭。但是這種專利是毫無(wú)使用價(jià)值的，原因之一是該專利中所使用的金剛石為聚晶金剛石圓柱，這種圓柱實(shí)際上是將金剛石顆粒物裝入葉臘石模具內(nèi)再一次在高溫、超高壓下熱壓合成的金剛石聚合體，該專利所需的金剛石圓柱體最小直徑1mm，最小高度1mm，最大尺寸φ30×50mm。但是實(shí)際上尺寸為φ5mm×5mm的聚晶體已經(jīng)是寶石級(jí)的東西，更不要談聚晶圓柱體表面是否光滑、平整、有無(wú)多晶界面缺陷等，按照此專利要求圓柱體直徑公差必須達(dá)到±0.05mm，這是不可能達(dá)到的；其二是該專利要求聚晶金剛石圓柱與球齒中心孔徑配合過(guò)盈量在0.01～0.05mm之間，試問(wèn)人造金剛石聚晶體的原始表面狀態(tài)與原始尺寸公差與該專利要求的有多少差距，顯然該專利發(fā)明人沒(méi)有一點(diǎn)實(shí)際知識(shí)。而實(shí)際高壓聚晶體制造出的圓柱體很不規(guī)則，表面也很粗糙，加工研磨十分困難；其三是金剛石本身為脆性材料，容易斷裂，而聚晶金剛石圓柱體表面和圓柱體內(nèi)界面多，加劇了材料的斷裂脆性，實(shí)踐證明在過(guò)盈裝配時(shí)金剛石圓柱早已斷裂。說(shuō)明此專利毫無(wú)使用價(jià)值，

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在問(wèn)題，本發(fā)明從材料的制備方法上及鉆孔材料結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，特別是本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬質(zhì)合金球齒界面內(nèi)小孔的截面直徑d與合金球齒截面直徑D之間，當(dāng)d/D≤0.15時(shí)，合金柱體的外圍所受的剪切外力及由此面產(chǎn)生的彈性、塑性形變不會(huì)波及小孔內(nèi)壁。也就是說(shuō)，球齒內(nèi)的小孔在球齒受到外力時(shí)小孔始終可以保持內(nèi)徑不變形的剛性特性。顯然，若把金剛石顆顆粒焊在這種剛性小孔內(nèi)，其包鑲效果和使用過(guò)程中的支撐作用將會(huì)明顯改善，為此本發(fā)明提出了在強(qiáng)度和剛度很高的硬質(zhì)合金小孔內(nèi)裝入人造金剛石和銅合金混合粉，先壓制成高密度壓坯再經(jīng)高溫釬焊把多刃口的人造金剛石顆粒物焊接固定在硬質(zhì)合金球齒小孔內(nèi)，在工作時(shí)硬質(zhì)合金的小孔壁將會(huì)承擔(dān)和代替孕鑲金剛石合金中柔軟的包鑲銅合金的作用。

一種金剛石夾心式的硬質(zhì)合金鑿巖鉆頭用球齒的制備工藝；其具體內(nèi)容如下：

1)在硬質(zhì)合金球齒截面中心按照d/D≤0.15原則，采用人造金剛石夾心式球齒的生產(chǎn)工藝，在常規(guī)硬質(zhì)合金球齒截面的中心處事先設(shè)計(jì)和加工出直徑φ＜1.3～3.0mm的小孔，再將專門(mén)設(shè)計(jì)的人造金剛石顆粒和銅合金混合粉裝入球齒小孔內(nèi)壓成高密度壓坯，相對(duì)密度80％。

2)采用兩段式燒結(jié)工藝，即低溫釬焊、高溫?cái)U(kuò)散固化，最終制成人造金剛石夾心式球齒，首先在第一段較低燒結(jié)溫度下用663銅合金粉作為釬焊料，完成低熔點(diǎn)合金包覆金剛石顆粒的任務(wù)；隨后當(dāng)?shù)诙螣Y(jié)溫度提高后利用加入的鉻鐵和鈦鐵向663銅合金中擴(kuò)散作用，提高銅合金中鉻、鈦、鐵的含量，從而提高包覆合金熔點(diǎn)和強(qiáng)度。

進(jìn)一步，人造金剛石夾心工藝中，使用的人造金剛石和銅合金混合粉成分為：人造金剛石顆粒50～60wt％，663青銅合金粉35～40wt％，鉻鐵粉3～7％，鈦鐵粉1.5～3wt％，另加入0.5～1wt％聚乙烯醇(PVA)混合液，將上述原料在U型混料機(jī)中混合1～2小時(shí)，隨后在真空干燥箱中80℃干燥2～3h。

進(jìn)一步，在人造金剛石夾心工藝中所使用的硬質(zhì)合金成分為通用合金YG11C牌號(hào)，制備過(guò)程嚴(yán)格按照YG11C合金生產(chǎn)工藝生產(chǎn)；所得球齒的中心小孔直徑φ1.3～3.0±0.1mm，并且為軸向貫通孔；中心孔內(nèi)表面的粗糙度和中心孔垂直度均按燒結(jié)后自然態(tài)。

進(jìn)一步，人造金剛石夾心工藝中所采用的人造金剛石顆粒為人造金剛石顆粒狀粉末，其粒度為0.1～0.35mm；選用晶型較好、刃口鋒利的JR型人造金剛石粉。

進(jìn)一步，在硬質(zhì)合金球齒小孔內(nèi)裝入人造金剛石顆?；旌戏鄣母呙芏葔号?，壓制壓力為150～250MPa，孔內(nèi)壓坯使用高度h＝8mm時(shí)所需的混合粉重量W＝1/4·π·d²·h·D(克)，式中d-小孔直徑(cm)、D-壓坯密度(6.2～7.2)g/cm³。

進(jìn)一步，在于混合料裝入小孔后，用45號(hào)碳鋼材質(zhì)鋼針沖頭，鋼針沖頭直徑為長(zhǎng)度L＝[球齒高(H)-孔內(nèi)粉坯高(h)﹢0.2]mm，插到球齒小孔內(nèi)，轉(zhuǎn)入壓制位，將混合料在小孔內(nèi)壓制成高密度壓坯，每顆鋼針的單位壓制壓力為150～250MPa，鋼針壓入后不再取出。

進(jìn)一步，當(dāng)金剛石顆粒與銅合金混合粉在球齒小孔內(nèi)壓制成高密度壓坯后應(yīng)在兩段式氫氣保護(hù)燒結(jié)爐中燒結(jié)，一段700～750℃，二段800～820℃，每段30～40min，氫氣截面流量0.3～0.5升/dm²，燒結(jié)后冷卻出爐，即得所需產(chǎn)品。

進(jìn)一步，當(dāng)金剛石顆粒與銅合金混合粉在球齒小孔內(nèi)壓制成高密度壓坯后，若在真空爐中兩段式燒結(jié)時(shí)，其工藝參數(shù)為一段700～750℃，二段780～800℃，每段30～40min，真空度小于1.5×10^-1Pa，燒結(jié)后冷卻出爐即得所需產(chǎn)品。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)為：

1、從材料制備工藝和技術(shù)上將硬質(zhì)合金刀片的生產(chǎn)工藝與金剛石-硬質(zhì)合金夾心的復(fù)合工藝，分為兩步，解決了兩種工藝溫差過(guò)大對(duì)金剛石性能的不利影響；

2、采用一種表面硬度、彈性模量和抗壓強(qiáng)度都非常高的硬質(zhì)合金小孔，作為金剛石顆粒物高強(qiáng)度，高剛度的支撐條件。能夠?qū)γ款w金剛石顆粒提供一種在三維上能獲得一種完全穩(wěn)定的高負(fù)荷、三維高強(qiáng)度的剛性支撐條件，是金剛石顆粒在受到強(qiáng)大的剪切和沖擊力的同時(shí)，能發(fā)揮高切削速度和高耐磨性。明顯節(jié)省了金剛石的用量；

3、最大限度的利用和發(fā)揮了廉價(jià)人造金剛石粉的使用價(jià)值，為人造金剛石粉開(kāi)辟了更廣闊的應(yīng)用前景；

4、所述使用的技術(shù)及設(shè)備均為成熟技術(shù)，且投資少易操作。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例一中球齒示意圖

1-混合料，2-硬質(zhì)合金，3-鋼針

圖2為實(shí)施例二中球齒示意圖

1-混合料，2-硬質(zhì)合金，3-鋼針

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

批量(5000個(gè))制備直徑φ10mm(見(jiàn)圖1)，高15mm，頂部為R5mm的球體形，人造金剛石夾心式球齒，應(yīng)按下例步驟進(jìn)行：

1、設(shè)計(jì)含有中心孔的YG11C硬質(zhì)合金球齒圖紙，球齒的小孔直徑按d/D≤0.13～0.15計(jì)算，d＝(0.13～0.15)×10mm＝(1.3～1.5)mm，選定d＝1.30±0.1mm，按此小孔尺寸及相關(guān)參數(shù)，向硬質(zhì)合金專業(yè)生產(chǎn)廠家訂貨5000個(gè)含孔球齒。

2、配置人造金剛石顆粒和銅合金混合粉1.5Kg，實(shí)際稱量：JR-2型人造金剛石粉，粒度0.1～0.2mm，54％(質(zhì)量)；663青銅合金粉，粒度-320目，38％(質(zhì)量)；鉻鐵粉(鉻含量8％)，粒度-320目，6％(質(zhì)量)；鈦鐵粉(鈦含量10％)，粒度-320目，2％(質(zhì)量)。按以上粉，加入0.6％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙烯醇(PVA)液體。上述混合物在V型混料機(jī)中混合1.5小時(shí)，其后在在真空干燥箱中80℃烘干3h待用。

3、計(jì)算小孔內(nèi)徑壓坯高度h，小孔內(nèi)加粉量W，W＝1/4·π·d²·h·D(克)，其中d＝0.138cm，h＝0.8cm，D＝7.2g/cm³，W＝1/4·π·(0.138)²·0.8·7.2＝0.086(克)。由于粉重量很小，必須在自動(dòng)裝粉機(jī)上嚴(yán)格調(diào)控粉重，進(jìn)行自動(dòng)裝粉后壓入鋼針沖頭預(yù)壓，隨后轉(zhuǎn)入高壓壓制成形。

4、在壓制位嚴(yán)格按照每只鋼針沖頭上壓強(qiáng)為P＝180～200MPa，控制總壓力P總＝N·P₀，其中N為鋼針數(shù)量。鋼針長(zhǎng)度L＝[球齒高(15)mm]-壓坯高(8mm)]+0.2mm＝7.2mm，鋼針壓入球齒后，不再取出。以上即完成小孔內(nèi)金剛石混合粉的高密度壓坯成形工序。

5、將上述球齒放入兩段式加熱氫氣氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中，按一段735±3℃三十五分鐘，二段800±3℃三十五分鐘，氫氣截面流量0.8升/dm²。

實(shí)施例二

批量(5000個(gè))制備直徑φ20mm(見(jiàn)圖2)，高30mm，頂部為R10mm的球體形，人造金剛石夾心式球齒，應(yīng)按下例步驟進(jìn)行：

1、設(shè)計(jì)含有中心孔的YG11C硬質(zhì)合金球齒圖紙，球齒的小孔直徑按d/D≤0.13～0.15計(jì)算，d＝(0.13～0.15)×20mm＝(2.6～3.0)mm，選定d＝2.80±0.1mm，按此小孔尺寸及相關(guān)參數(shù)，向硬質(zhì)合金專業(yè)生產(chǎn)廠家訂貨5000個(gè)含孔球齒。

2、配置人造金剛石顆粒和銅合金混合粉12Kg，實(shí)際稱量：JR-2型人造金剛石粉，粒度0.1～0.2mm，54％(質(zhì)量)；663青銅合金粉，粒度-320目，38％(質(zhì)量)；鉻鐵粉(鉻含量8％)，粒度-320目，6％(質(zhì)量)；鈦鐵粉(鈦含量10％)，粒度-320目，2％(質(zhì)量)。按以上粉，加入0.6％質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙烯醇(PVA)液體。上述混合物在V型混料機(jī)中混合1.5小時(shí)，其后在在真空干燥箱中80℃烘干3h待用。

3、計(jì)算小孔內(nèi)徑壓坯高度h，小孔內(nèi)加粉量計(jì)W，W＝1/4·π·d²·h·D(克)，其中d＝0.280cm，h＝1.6cm，D＝7.2g/cm³，W＝1/4·π·(0.280)²·1.6·7.2＝0.710(克)。由于粉重量很小，必須在自動(dòng)裝粉機(jī)上嚴(yán)格調(diào)控粉重，進(jìn)行自動(dòng)裝粉后壓入鋼針沖頭預(yù)壓，隨后轉(zhuǎn)入高壓壓制成形。

4、在壓制位嚴(yán)格按照每只鋼針沖頭上壓強(qiáng)為P＝180～200MPa，控制總壓力P總＝N·P₀，其中N為鋼針數(shù)量。鋼針長(zhǎng)度L＝[球齒高(30)mm]-壓坯高(16mm)]+0.2mm＝14.2mm，鋼針壓入球齒后，不再取出。以上即完成小孔內(nèi)金剛石混合粉的高密度壓坯成形工序。

5、將上述球齒放入真空燒結(jié)爐中，按一段700±3℃三十五分鐘，二段810±3℃三十五分鐘，其中真空度應(yīng)小于1×10^-1Pa。