专利名称：在楔形或复杂形状钻头工作表面制备成份梯度中间过渡层的方法
技术领域：
本发明涉及在楔形或复杂形状钻头工作表面制备成份梯度过渡变化的金刚石-硬质合金中间过渡层的技术，特别涉及采用液相沉淀干粉吸附法在硬质合金钻头工作表面按成份梯度变化，分层制备金刚石-硬质合金复合梯度过渡层技术。
背景技术：
镶齿牙轮钻头上的金刚石-硬质合金是由金刚石微粉掺杂其他强化物质原料组装在硬质合金齿基体上，通过高温高压方法合成的金刚石键合为主的均匀聚晶金刚石(PCD)，同时实现金刚石层与基体硬质合金冶金结合的复合齿。
由于PCD的弹性模量、热膨胀系数与基体的硬质合金相差较大，经过高温高压的制备过程在界面处存在高达1.5Gpa左右的残余应力，极大降低复合齿的抗冲击性。统计表明，在深井施工的过程中，PCD钻头的失效率高达三分之一的情况是由于抗冲击性能差异而导致金刚石层从基体上脱落，因此降低残余应力，提高抗冲击性对延长钻头寿命，提高钻进效率是有意义的，采用复合过渡层技术使聚晶金刚石层成份依次变化，物理性能也逐渐变化，这样可以达到降低部分残余应力，提高复合齿抗冲击性的目的。
复合齿的中间过渡层制备，通常采用粉末平铺法，但该法仅适合结构简单的平面齿表面，在较为复杂的钻头表面制备成份梯度变化的过渡层，仅在美国、俄罗斯的专利技术中有所介绍，他们一般采用高强有机粘结剂将所需材料制备成可塑性变形的带材，经反复碾压，增加致密性后，修正成适合复杂形状硬质合金钻头表面形状，最后组装而成。采用该法需要修正带材形状，用于轴对称的球形齿较为合适，而对于较为复杂或特殊的形状，易在带材结合处产生重复折叠、厚度不均、带材需要高的柔韧性才易折叠，从而需要加入较多量的有机物添加剂，一般高于20％，高含量有机物添加剂易于高残留，并可能对复合齿性能有所影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于在楔形或更复杂形状的硬质合金钻头工作表面，制备具有成份梯度变化的金刚石-硬质合金层的方法。
本发明的中间过渡层制备工艺采用梯度层分层制备，最外层原料采用团聚粉末压实，中间过渡层则利用悬浮液粉浆浇注工艺自然沉降形成，即是通过在粉末原料中掺加低于重量5％的有机粘结剂，经混匀和复合组成的耐磨干粉层，与单层成份梯度过渡的复合悬浮液粉料层，经二步法制备工艺，相互吸附扩散，渗透而实现。
为实现本发明目的，提出一种在楔形或复杂形状钻头工作表面制备成份梯度中间过渡层的方法步骤是1〕、在钻头工作表面钼包套阴模内，采用金刚石粉与钴粉加粘结剂均匀混合制备的复合团聚粉末并干压出凹阴模钻头工作面状印痕，将该有印痕的干粉末模连同钼包套阴模一起在真空下干燥，形成与钻头工作表面形状吻合的最外层耐磨层；2〕、按设计的中间过渡层单层成份配比称取金刚石粉、WC粉、钴粉或钼粉、钛粉及稀土材料微粉混合后，用含粘结剂的蒸馏水或去离子水或乙醇水溶液制成含水量35％～70％悬浮液，将该悬浮液注入(1)步的有印痕的干粉末模内，在重力作用下自然沉降吸附在最外层(耐磨层)内壁，经干燥后，压入钻头，即制备成钻头工作表面成份梯度过渡层，如果需要多层过渡层，再取出钻头按前叙方法依次进行，装配好的钻头工件经过真空或氢气下700℃内退火处理，然后经PCD高温高压处理，即完成成份梯度变化的中间过渡层制备。
上述的金刚石粉与钴粉的团聚粉末是5～20微米金刚石微粉和0.1～2微米金属钴微粉与粘结剂，按常规方法团聚成的粒径100～400微米的颗粒，颗粒含水量为重量5％～10％。
上述的金刚石粉-炭化钨粉-钴粉或钼粉、钛粉及所需稀土材料微粉混合制成的含水量35％～70％的悬浮液，是按公知方法净化处理过的粒径0.5～2微米金刚石微粉、0.1～1.5微米的炭化钨微粉及0.1～1.5微米的金属钴微粉、金属钼微粉、金属钛微粉及所需的稀土材料微粉，与掺加有可溶性淀粉及试剂聚乙烯醇的蒸馏水或去离子水或乙醇水溶液而制成的含水量35％～70％的悬浮液。
所述的粘结剂为含重量0.1～％～2％可溶性淀粉和重量0.2％～3％试剂聚乙烯醇的蒸馏水或去离子水或乙醇的水溶液。
本制备方法的具体操作步骤如下一、耐磨层制备a、将耐磨层所需干粉原料按公知方式洁净处理，混匀；b、加入前述的粘结剂，将干粉按通用方式制备成含水重量5％～10％团聚颗粒，颗粒粒度100～400微米；c、将b团聚颗粒置于预先制备好的具有楔形或复杂形状钻头工作面外部形状的钼阴模内，轻振平，料平面在阴模上沿钻头工作面刻容线内，另取一制备好的比实际钻头工作面体积小10％左右的外形阳模，置于钼阴模干粉内，加纵压后，取出阳模，即在钼模内形成凹阴痕干粉模；d、将凹阴痕模连钼模一起置于真空干燥箱内，于温度80℃，抽真空干燥1小时，降温后备用。
二、成份梯度变化各单层制备工艺步骤a、将成份梯度变化各单层所需原料按公知工艺洁净处理，按各单层成份所需称量，分别按层分类制备成含水重量35％～70％的均匀悬浮液；b、将各单层均匀悬浮液注入(一d)的凹阴痕干粉模内，每层单模悬浮液注入量与干粉模沿平齐c、将已注完悬浮液浆的干粉模连钼外壳一起置于真空干燥箱内，抽真空，于温度80℃条件下烘干水份；d、二a、二b工艺，至凹印痕内制备完毕所需层数悬浮液干膜，e、将已按公知工艺洁净的所需楔形或有复杂形状工作面的，与各钼外壳配套的硬质合金钻头，置入已制备完过渡层膜的凹印痕膜工作腔内，加以纵压，使工作钻头进入工作面，至此，具有梯度结构过渡层的钻头工件装配完毕。
三、后续处理工艺及步骤将装配完成的工件置于真空干燥箱内，抽真空，按1℃/分钟速率随炉升温到80℃，再以0.5℃/分钟速率升温到250℃，保温0.5h，冷却，取出样品放入真空氢气炉内，在10-2～10-4Pa真空条件下，从室温到300℃以2℃/分钟升温，保温1小时，再以5℃/分钟升温到600℃，保温1小时，然后以5℃/分钟升温到700℃，通入氢气，保温1小时，关氢气抽真空，保温20分钟，以5℃/分钟冷却降温后取出备用。
本发明中的中间过渡层是采用悬浮液粉浆浇注工艺自然沉降及吸附工艺形成的，为防止混合均匀的粉末金刚石、WC、Co因为沉降速度不同而导致不均匀，破坏预期梯度结构的形成，我们通过适当的工艺操作调节中间过渡层成份分布。为保证中间过渡层浆料沉降后成份均匀，一方面，提高浆料的粘稠度，增大颗粒间相互作用及相关性，保证粉料作为一整体同时沉降吸附；另一方面，通过颗粒的尺度控制，进一步控制颗粒的沉降速度，悬浮液浆料的粘稠度不能无限制增大，否则不利于沉降。
本发明的中间过渡层组装工艺能适用于楔形及其它特殊形状钻头，只要认真操作，分次称量合格，那么成型的合格率可在90％以上。相比其它中间层装配工艺，本方法在保持成型的稳定性、一致性及易操作和可控制性方面具有优势，可以增加中间过渡层数，适合大规模生产。
图1是中间过渡层装配示意图，图中1为耐磨层，2为中间层悬浮料，3为钼包套阴模。
图2是实施例1制备完成的梯度楔形复合齿的剖面图，图中外层是金属钼套，中间黑色的是成份梯度变化的聚晶金刚石层，内层为硬质合金基体。聚晶金刚石增强层的厚度从齿顶部均匀对称地覆盖，与基体紧密结合，由于楔形齿的工作面是其顶部周围，因而增强层的这种厚度分布是符合其工作原理的。
图3是实施例1硬质合金基体与过渡层界面处SEM形貌，由图可见界面并非光滑，这是由于过渡层中的WC团聚并与基体冶金结合形成起伏，基体表面起伏增大了硬质合金与过渡层(增强层)的接触面积，可以提高结合力，界面灰色的部分为富集于界面的Co，它几乎将过渡增强层与基体隔断，这显然会降低过渡增强层与基体的结合力，并对聚晶金刚石的热稳定造成危害。
图4是实施例1中间过渡层SEM形貌，由图可见中间过渡层由白色的团聚WC-Co颗粒与黑色的金刚石颗粒组成。
图5是实施例1最外层耐磨层的SEM形貌，由图可见最外层几乎完全由金刚石颗粒组成。
具体实施例方式
实施例1梯度楔形复合齿的制备，其制备工艺分原料预处理、有机粘结剂的配制、耐磨层的成份和装配、中间过渡层的成份和装配、真空退火处理、PCD高温高压烧结六个部分。以制备金刚石增强层(包括中间过渡层)平均厚度约为0.3mm为例，给出各层原料成份。
一、原料的预处理1、粒径5～20μm金刚石粉，用王水溶液化学法清洗，晾干备用；2、取粒径0.1～2微米钴粉，在H2条件下700℃处理1小时后备用。
3、取粒径0.1～2微米WC粉，在氢气条件下700℃处理1小时备用。
二、有机粘结剂溶液的配制取蒸馏水300ml，加入可溶性淀粉1g(分析纯，上海化学试剂公司)，聚乙烯醇4g(纯度＞90.2％，重庆化学试剂公司)，在水热条件下(100℃)搅拌将溶液混合均匀，使溶液内无明显残留固体聚乙烯醇，得到粘结剂200ml，冷却备用。
三、耐磨层的成份和装配1、原料混合及干燥取预处理好的金刚石微粉0.3g、钴粉0.02g，放入研钵内干混匀，然后加入粘结剂溶液0.2～0.3ml，再加入蒸馏水约0.4ml，共混研磨后，在真空干燥箱内80℃干燥2～4小时。干燥后团聚颗粒干粉含水量约8％。
2、耐磨层的装配将1的团聚颗粒干粉取一份放在备好的钼杯内，表面震平，以小楔形钻齿为阳模，对钼杯内的混合粉加纵压，使钼杯内干粉成凹模状楔形，取出阳模。加工时，凹模应平整，内面无破损，凹型粉上沿在钼杯内1/2处。将钼杯放在干燥箱内，80℃内干燥1～4小时，耐磨层加工完毕。
四、中间过渡层的成份和装配1、原料混合金刚石粉0.15克，碳化钨粉0.1克，钴粉0.02克，10份总量2.7克的过渡层粉料加入玛瑙研钵内干混匀，加入粘结剂1～2ml，蒸馏水适量，混合成均匀悬浮状液体。
2、装配及干燥用吸管将悬浮状液体吸出，均匀加入已干燥好的凹型钼杯的干燥耐磨层内。液面应稍高于耐磨层边缘最高处。然后把钼杯置于真空干燥箱80℃干燥2小时，如果需要多层中间过渡层，则重复多次浇注沉淀吸附过渡层工艺，最后将备好的楔形齿直接加入钼杯内加压平整，装配完毕。
五、真空退火处理装配好的样品置入真空干燥箱内，按1℃/min由室温升到80℃，，再以0.5℃/min升温到250℃，保温半小时后冷却。
样品放入真空加热炉内，在10-2～10-4Pa抽真空条件下，从室温到300℃以2℃/min升温，保温1小时。再以5℃/min升温到600℃，保温1小时。然后以5℃/min升温到700℃后通入氢气，保温1小时。最后关氢气抽真空，保温20分钟，以5℃/min冷却降温后取出。
六、高温高压烧结将已装配梯渡层与基体在50Kbar、1600℃下保持大约20min，即在硬质合金基体上形成成份过渡的梯度PCD层，完成梯度PCD增强楔形复合齿的制备。在楔形或复杂形状钻头工作表面制备成份梯度过渡中间过渡层方法所预制的工件，其PCD高温高压工艺条件与一般PCD烧结工艺条件是大不一样的，为得到较理想的PCD结果，必须调整新的PCD烧结工艺。
制得的梯度楔形齿钻头剖面图如图2，硬质合金基体与过渡层界面处SEM形貌见图3，中间过渡层的SEM形貌见图4，最外层耐磨层SEM形貌见图5。
权利要求
1.一种在楔形或复杂形状钻头工作表面制备成份梯度中间过渡层的方法，其特征在于方法步骤是1〕、在钻头工作表面的钼包套阴模内，采用金刚石粉与钴粉加粘结剂均匀混合制备的复合团聚粉末并干压出凹阴模钻头工作面状印痕，将该有印痕的干粉末模连同钼包套阴模一起在真空下干燥，形成与钻头工作表面形状吻合的最外层耐磨层；2〕、按设计的中间过渡层单层成份配比，称取金刚石粉、WC粉、钴粉或钼粉、钛粉及稀土材料微粉，混合后，用含粘结剂的蒸馏水或去离子水或乙醇水溶液制成含水量35％～70％悬浮液，将该悬浮液注入(1)步的有印痕的干粉末模内，在重力作用下自然沉降吸附在最外层内壁，经干燥后，压入钻头，即制备成钻头工作表面成份梯度过渡层，如果需要多层过渡层，再取出钻头按前叙方法依次进行，装配好的钻头工件经过真空或氢气下700℃内退火处理，然后经PCD高温高压处理，即完成成份梯度变化的中间过渡层制备。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的金刚石粉与钴粉的团聚粉末是5～20微米金刚石微粉和0.1～2微米金属钴微粉及粘结剂，按常规方法团聚成的粒径100～400微米的颗粒，颗粒含水量为重量5％～10％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的粘结剂为含重量0.1～％～2％可溶性淀粉和重量0.2％～3％试剂聚乙烯醇的蒸馏水或去离子水或乙醇的水溶液。
全文摘要
本发明采用直接在楔形或复杂形状硬质合金钻头PCD加工件的钼包套内，实行二步操作工艺制备出具有成份梯度变化中间过渡层，其方法步骤是1、在包套内预先采用耐磨涂层干粉团聚颗粒压出具备高吸水性、常温强固性、有一定耐水性的凹印痕阴模；2、在干粉凹印痕阴模内，分单层多次注入悬浮浆液，经干燥形成成份梯度变化结构的中间过渡层。以上二步工艺组合，形成成份连续变化，厚度分布合理，形状吻合齿面的过渡层，采用该工艺制备出的具有中间过渡层的聚晶金刚石增强楔形复合齿，其抗冲击性大于400焦。
文档编号B23P5/00GK1433862SQ0311870
公开日2003年8月6日 申请日期2003年2月27日 优先权日2003年2月27日
发明者李力, 董学斌, 潘牧, 郑安, 肖湘平, 杨李 申请人:武汉理工大学, 江汉石油钻头股份有限公司