專利名稱：硬質(zhì)合金復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金，進(jìn)一步是指基體表面有高耐磨性的高硬度顆粒層的硬質(zhì)合金復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金以高耐磨性和高剛性著稱，這種優(yōu)良性能使其應(yīng)用范圍涉及很多工業(yè)部門，特別在礦山采掘、地質(zhì)鉆探、石油開采、水電工程、隧道掘進(jìn)等領(lǐng)域，應(yīng)用硬質(zhì)合金制造的各類工程鉆頭，成為了不可取代的產(chǎn)品。由于這些領(lǐng)域在國民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的份額，潛在著巨大的經(jīng)濟(jì)利益，因此國內(nèi)外一直致力于開發(fā)更優(yōu)良的礦用硬質(zhì)合金，以制造更耐磨、更高效率的工程鉆頭。硬質(zhì)合金主要含WC和Co，礦用硬質(zhì)合金的通常成份是10％Co，90％WC；降低Co含量，合金的耐磨性提高，但韌性降低，脆性增加，容易使鉆頭發(fā)生碎裂，這是一個(gè)長期障礙硬質(zhì)合金向前發(fā)展的壁壘。20世紀(jì)末期，世界最著名的硬質(zhì)合金公司-瑞典山特維克(SANDVIK)取得了技術(shù)突破，研究成功一種梯度礦用硬質(zhì)合金，這種梯度合金是通過原子擴(kuò)散的工藝，使Co的含量從合金表面到中心部位之間發(fā)生連續(xù)變化，表面層低Co約3-5％，中心高Co約10％，這就使合金表面層具有很高耐磨性，芯部則保持良好的韌性，從而解決了耐磨性與韌性的矛盾和制約。此項(xiàng)研究，已經(jīng)成為硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域中一個(gè)重大的進(jìn)展。
從不同途徑獲得具有更好性能的硬質(zhì)合金，仍然是應(yīng)當(dāng)努力的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)狀況，提出一種硬質(zhì)合金復(fù)合材料，具有優(yōu)良的表面耐磨性和基體材料的韌性，且生產(chǎn)過程易于控制、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低，表面的耐磨顆粒層與基體合金結(jié)合良好。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是所述硬質(zhì)合金復(fù)合材料有硬質(zhì)合金基體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，該硬質(zhì)合金基體表面復(fù)合有顆粒硬度更高且分布均勻的硬質(zhì)合金顆粒層。
以下做出進(jìn)一步說明。
本發(fā)明采用顆粒硬化的方法，制造復(fù)合材料，把一種接近人造金剛石硬度的極硬顆粒均勻地分布在硬質(zhì)合金表面層，使耐磨性大幅度提高，而硬質(zhì)合金基體則保持良好的韌性。這種極硬的顆粒，必須與硬質(zhì)合金基體不產(chǎn)生排斥，形成良好的結(jié)合，這就是本發(fā)明的創(chuàng)造性所在。即本發(fā)明從另一層面，獲得了具有梯度功能的硬質(zhì)合金，即本發(fā)明的硬質(zhì)合金復(fù)合材料。
本發(fā)明所述硬質(zhì)合金基體，即實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)的已有技術(shù)的工業(yè)硬質(zhì)合金。
生產(chǎn)本發(fā)明所述硬質(zhì)合金復(fù)合材料可采用以下兩步進(jìn)行第一步，制造一種極硬的硬質(zhì)合金顆粒。根據(jù)硬質(zhì)合金制造基本原理，在硬質(zhì)合金成份中極大地降低Co含量，便能獲得極高硬質(zhì)合金。因此，顆粒成分(質(zhì)量％)采用0-3Co％，97-100％WC，其中WC可以用耐磨性更高的TaC部分或全部取代，一種通常采用的成份是0.5％Co、98.5％WC、1％TaC，其制造過程與工業(yè)硬質(zhì)合金生產(chǎn)相同，唯一區(qū)別是真空燒結(jié)需達(dá)1650℃高溫；另一種制造方法是采用1500℃熱壓，兩種方法均可。燒結(jié)所獲得的毛坯，經(jīng)清潔處理，例如表面磨削，再將毛坯進(jìn)行沖擊破碎，過20目篩，便獲得維氏硬度Hv＞2000(通常為Hv＝2000-2500)，接近人造金剛石硬度的硬質(zhì)合金顆粒。在制造硬質(zhì)合金合復(fù)合材料時(shí)，通常采用-60目+100目的粒度范圍，硬質(zhì)合金顆粒的顯微結(jié)構(gòu)影響其耐磨性，當(dāng)晶粒度接近納米超細(xì)組織時(shí)，顆粒具有更高的耐磨性；第二步，硬質(zhì)合金顆粒復(fù)合在硬質(zhì)合金基體上。所述基體，即實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)的已有工業(yè)硬質(zhì)合金。例如，在制造礦山工具時(shí)，便復(fù)合在礦用硬質(zhì)合金基體上，復(fù)合過程是通常的粉末冶金過程，現(xiàn)以復(fù)合在10％Co、90％WC(均為質(zhì)量％，后同)的礦用硬質(zhì)合金基體上，予以說明；其步驟是在已加入增塑料的10％Co、90％WC混合料中取一定數(shù)量的該料(根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量而定)與硬質(zhì)合金顆粒均勻混合(本發(fā)明所述混合料也可以是已有技術(shù)中其它混合料)，便制成所謂復(fù)合料，在復(fù)合料中，硬質(zhì)合金顆粒和10％Co、90％WC混合料二者的比例，采用如下范圍(質(zhì)量％)5-50％硬質(zhì)合金顆粒和50％-95％混合料，通常采用15-20％硬質(zhì)合金顆粒，80-85％混合料，把復(fù)合料和混合料壓制在一起，便獲得由一層復(fù)合料和一層混合料組成的壓制毛坯，毛坯經(jīng)高溫?zé)Y(jié)便制作成復(fù)合層具有很高耐磨性，基體保持高韌性的產(chǎn)品，即本發(fā)明的硬質(zhì)合金復(fù)合材料。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)是
1、發(fā)明硬質(zhì)合金復(fù)合材料的耐磨層(即復(fù)合層)，可以根據(jù)產(chǎn)品要求，任意調(diào)節(jié)厚度，例如厚度為0.5mm-5mm，以達(dá)到產(chǎn)品使用最優(yōu)的效果；梯度硬質(zhì)合金，耐磨層的厚度為2mm左右，不能作更大范圍調(diào)整。
2、本發(fā)明硬質(zhì)合金復(fù)合的耐磨層，當(dāng)調(diào)整硬質(zhì)合金顆粒的濃度≥20％時(shí)，其耐磨性優(yōu)于梯度硬度合金。
3、本復(fù)合材料，硬質(zhì)合金顆粒與硬質(zhì)合金基體，具有同樣的原子鍵，不產(chǎn)生排斥，結(jié)合力十分優(yōu)良，在使用過程中，經(jīng)受強(qiáng)烈沖擊，顆粒不會(huì)脫落，復(fù)合層不會(huì)破裂，下表給出了測(cè)定復(fù)合層抗彎強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，復(fù)合層具有很高的強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于3％Co，97％WC硬質(zhì)合金(即梯度硬質(zhì)合金表層成份)的抗彎強(qiáng)度1100Mpa的標(biāo)準(zhǔn)。

4、硬質(zhì)合金復(fù)合材料的制造工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量穩(wěn)定，而已有梯度硬質(zhì)合金的制造工藝較為復(fù)雜，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差，成本昂貴。
5、在已有梯度硬質(zhì)合金中，要獲得原子擴(kuò)散的動(dòng)力，必須首先制造一種非正常組合的合金，即WC相+Co相+脫碳相的三相組織，然后通過外來碳原子的擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變?yōu)閃C相+Co的正常組織，或WC相+部份脫碳相的不完全正常組織，由于在非正常組織狀態(tài)下的硬質(zhì)合金機(jī)械性能很差，給梯度硬質(zhì)合金生產(chǎn)帶來了困難，而本發(fā)明的硬質(zhì)合金復(fù)合材料，整個(gè)生產(chǎn)過程都控制在正常組織下進(jìn)行。
6、硬質(zhì)合金復(fù)合材料具有梯度硬質(zhì)合金的功能，但又不是梯度合金，且其應(yīng)用范圍更為廣泛，不局限在礦用硬質(zhì)合金領(lǐng)域。
本發(fā)明硬質(zhì)合金復(fù)合材料的金相組織示于圖1和圖2，圖中顯示了硬質(zhì)合金顆粒在基體中的分布，以及顆粒與基體良好的結(jié)合。


圖1是本發(fā)明的硬質(zhì)合金顆粒均勻分布在硬質(zhì)合金基體表層中的金相照片(X30)；圖2是顯示硬質(zhì)合金顆粒與硬質(zhì)合金基體結(jié)合良好的金相照片(X100)；圖3是一種實(shí)施例工件(產(chǎn)品)局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖，其中1——硬質(zhì)合金顆粒層，2——硬質(zhì)合金基體。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用硬質(zhì)合金復(fù)合材料制造一種應(yīng)用于石油開采的三牙輪鉆頭硬質(zhì)合金球齒，球齒尺寸如圖3，球面為破巖工作面，圓柱體為連接部位。采用的硬質(zhì)合金顆粒成份為0.5％Co、98.5％WC，1％TaC，壓制毛坯經(jīng)1650℃真空燒結(jié)，并破碎制備為-60目+100目顆粒，顆粒按15％的重量份額與85％的成份為10％Co、90％WC的硬質(zhì)合金混合料均勻混合，便制得含硬質(zhì)合金顆粒的復(fù)合料。該球齒的壓制方向球面朝下，壓制單重為39g，按復(fù)合厚度3mm計(jì)算，壓制時(shí)首先加入復(fù)合料9g，然后再加入10％Co、90％WC混合料30g進(jìn)行壓制，由于模具模壁的阻力作用，壓制時(shí)粉末流動(dòng)成弧線形，因而使復(fù)合層沿球面均勻分布，壓制毛坯經(jīng)1400℃真空燒結(jié)便獲得復(fù)合硬質(zhì)合金球齒。
實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1除硬質(zhì)合金顆粒成份區(qū)別外其余相同，本例采用的硬質(zhì)合金顆粒成份為0.6％Co、0.4％Cr3C2，99％WC，采用1500℃熱壓制成，原始WC粉末的費(fèi)氏粒度Fsss0.6μm，制備的硬質(zhì)合金顆粒為接近納米的超細(xì)組織，因而復(fù)合硬質(zhì)合金球齒具有更高的耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金復(fù)合材料，包括硬質(zhì)合金基體，其特征是，該硬質(zhì)合金基體表面復(fù)合有顆粒硬度更高且分布均勻的硬質(zhì)合金顆粒層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金復(fù)合材料，其特征是，所述硬質(zhì)合金顆粒的質(zhì)量百分比成份是，Co為0-3％，WC為97-100％，所述的硬質(zhì)合金顆粒的粒度范圍為-60目+100目，顆粒維氏硬度Hv＞2000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金復(fù)合材料，其特征是，形成所述硬質(zhì)合金顆粒層的復(fù)合料由質(zhì)量百分比為5-50％的所述硬質(zhì)合金顆粒和50-95％的硬質(zhì)合金混合料均勻混合組成。
全文摘要
本發(fā)明為硬質(zhì)合金復(fù)合材料，它包括硬質(zhì)合金基體，其特征是，該硬質(zhì)合金基體表面復(fù)合有顆粒硬度更高且分布均勻的硬質(zhì)合金顆粒層。所述硬質(zhì)合金顆粒的質(zhì)量百分比成分是，Co0－3％，WC97－100％，所述的硬質(zhì)合金顆粒的粒度范圍為－60目+100目，顆粒維氏硬度H
文檔編號(hào)B22F7/06GK1579679SQ0312474
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者陳兆盈, 陳蔚 申請(qǐng)人:陳兆盈