一种金刚石夹心式硬质合金复合球齿的制备方法与流程

本发明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。

背景技术：

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，显然该专利发明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，

技术实现要素：

为了解决上述存在问题，本发明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，为此本发明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孔垂直度均按烧结后自然态。

进一步，人造金刚石夹心工艺中所采用的人造金刚石颗粒为人造金刚石颗粒状粉末，其粒度为0.1～0.35mm；选用晶型较好、刃口锋利的JR型人造金刚石粉。

进一步，在硬质合金球齿小孔内装入人造金刚石颗粒混合粉的高密度压坯，压制压力为150～250MPa，孔内压坯使用高度h＝8mm时所需的混合粉重量W＝1/4·π·d²·h·D(克)，式中d-小孔直径(cm)、D-压坯密度(6.2～7.2)g/cm³。

进一步，在于混合料装入小孔后，用45号碳钢材质钢针冲头，钢针冲头直径为长度L＝[球齿高(H)-孔内粉坯高(h)﹢0.2]mm，插到球齿小孔内，转入压制位，将混合料在小孔内压制成高密度压坯，每颗钢针的单位压制压力为150～250MPa，钢针压入后不再取出。

进一步，当金刚石颗粒与铜合金混合粉在球齿小孔内压制成高密度压坯后应在两段式氢气保护烧结炉中烧结，一段700～750℃，二段800～820℃，每段30～40min，氢气截面流量0.3～0.5升/dm²，烧结后冷却出炉，即得所需产品。

进一步，当金刚石颗粒与铜合金混合粉在球齿小孔内压制成高密度压坯后，若在真空炉中两段式烧结时，其工艺参数为一段700～750℃，二段780～800℃，每段30～40min，真空度小于1.5×10^-1Pa，烧结后冷却出炉即得所需产品。

本发明优点为：

1、从材料制备工艺和技术上将硬质合金刀片的生产工艺与金刚石-硬质合金夹心的复合工艺，分为两步，解决了两种工艺温差过大对金刚石性能的不利影响；

2、采用一种表面硬度、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一种完全稳定的高负荷、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；

3、最大限度的利用和发挥了廉价人造金刚石粉的使用价值，为人造金刚石粉开辟了更广阔的应用前景；

4、所述使用的技术及设备均为成熟技术，且投资少易操作。

附图说明

图1为实施例一中球齿示意图

1-混合料，2-硬质合金，3-钢针

图2为实施例二中球齿示意图

1-混合料，2-硬质合金，3-钢针

具体实施方式

实施例一

批量(5000个)制备直径φ10mm(见图1)，高15mm，顶部为R5mm的球体形，人造金刚石夹心式球齿，应按下例步骤进行：

1、设计含有中心孔的YG11C硬质合金球齿图纸，球齿的小孔直径按d/D≤0.13～0.15计算，d＝(0.13～0.15)×10mm＝(1.3～1.5)mm，选定d＝1.30±0.1mm，按此小孔尺寸及相关参数，向硬质合金专业生产厂家订货5000个含孔球齿。

2、配置人造金刚石颗粒和铜合金混合粉1.5Kg，实际称量：JR-2型人造金刚石粉，粒度0.1～0.2mm，54％(质量)；663青铜合金粉，粒度-320目，38％(质量)；铬铁粉(铬含量8％)，粒度-320目，6％(质量)；钛铁粉(钛含量10％)，粒度-320目，2％(质量)。按以上粉，加入0.6％质量分数的聚乙烯醇(PVA)液体。上述混合物在V型混料机中混合1.5小时，其后在在真空干燥箱中80℃烘干3h待用。

3、计算小孔内径压坯高度h，小孔内加粉量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，必须在自动装粉机上严格调控粉重，进行自动装粉后压入钢针冲头预压，随后转入高压压制成形。

4、在压制位严格按照每只钢针冲头上压强为P＝180～200MPa，控制总压力P总＝N·P₀，其中N为钢针数量。钢针长度L＝[球齿高(15)mm]-压坯高(8mm)]+0.2mm＝7.2mm，钢针压入球齿后，不再取出。以上即完成小孔内金刚石混合粉的高密度压坯成形工序。

5、将上述球齿放入两段式加热氢气气氛保护烧结炉中，按一段735±3℃三十五分钟，二段800±3℃三十五分钟，氢气截面流量0.8升/dm²。

实施例二

批量(5000个)制备直径φ20mm(见图2)，高30mm，顶部为R10mm的球体形，人造金刚石夹心式球齿，应按下例步骤进行：

1、设计含有中心孔的YG11C硬质合金球齿图纸，球齿的小孔直径按d/D≤0.13～0.15计算，d＝(0.13～0.15)×20mm＝(2.6～3.0)mm，选定d＝2.80±0.1mm，按此小孔尺寸及相关参数，向硬质合金专业生产厂家订货5000个含孔球齿。

2、配置人造金刚石颗粒和铜合金混合粉12Kg，实际称量：JR-2型人造金刚石粉，粒度0.1～0.2mm，54％(质量)；663青铜合金粉，粒度-320目，38％(质量)；铬铁粉(铬含量8％)，粒度-320目，6％(质量)；钛铁粉(钛含量10％)，粒度-320目，2％(质量)。按以上粉，加入0.6％质量分数的聚乙烯醇(PVA)液体。上述混合物在V型混料机中混合1.5小时，其后在在真空干燥箱中80℃烘干3h待用。

3、计算小孔内径压坯高度h，小孔内加粉量计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，必须在自动装粉机上严格调控粉重，进行自动装粉后压入钢针冲头预压，随后转入高压压制成形。

4、在压制位严格按照每只钢针冲头上压强为P＝180～200MPa，控制总压力P总＝N·P₀，其中N为钢针数量。钢针长度L＝[球齿高(30)mm]-压坯高(16mm)]+0.2mm＝14.2mm，钢针压入球齿后，不再取出。以上即完成小孔内金刚石混合粉的高密度压坯成形工序。

5、将上述球齿放入真空烧结炉中，按一段700±3℃三十五分钟，二段810±3℃三十五分钟，其中真空度应小于1×10^-1Pa。