用于凿岩的钻头嵌件的制作方法

本发明涉及用于凿岩的钻头嵌件，该钻头嵌件包括烧结的硬质合金(cementedcarbide)本体，该烧结的硬质合金本体包括碳化钨(wc)的硬质相和粘结相。本发明还涉及包括嵌件的钻头以及该钻头用于钻凿的用途。
背景技术：
：在粘结相中包括有硬质相的硬质合金通常用于需要坚硬且耐磨的材料的应用，如金属切削、金属成形以及凿岩。通常，碳化钨(wc)与作为粘结相的钴(co)一起用作硬质相，但是其他硬质成分，如碳化钛(tic)、碳化铌(nbc)或碳化钽(tac)也可以与例如和铁(fe)或镍(ni)合金化的co一起使用。为了凿岩，通常使用具有钢本体以及钎焊或压配合到钢本体中的孔中的硬质合金嵌件的岩石钻头。可以以若干方式执行凿岩。一个示例是旋转钻凿，其中，具有硬质合金嵌件的旋转钻头利用压力和旋转运动切削岩石。这经常用于较大直径的孔。另一技术是冲击钻凿，其中，使用顶锤凿岩机或潜孔凿岩机利用使岩石破裂并粉碎的冲击冲程来切削岩石。钻头在每次冲程之间均旋转一定角度，以使得硬质合金钻头嵌件将击打新岩石并因此产生孔。冲击钻凿通常用于矿山中或建筑工地处的硬质岩石中的爆破孔。冲击钻凿是一种需要坚硬且耐磨的、还具有高韧性以应对冲击力的钻头嵌件的要求苛刻的应用。通常在制造期间通过添加的粘结相的量以及硬质相的晶粒尺寸来控制硬质合金的硬度。较低的粘结相含量和较小的硬质相晶粒尺寸将导致较硬的材料。已知下述硬质合金用于供冲击凿岩用的嵌件：该硬质合金具有晶粒尺寸大约为1μm至5μm的wc硬质相和大约6重量％(wt％)的粘结相。通常使用粉末冶金步骤制造硬质合金，如将硬质相成分与将形成粘结相的金属粉末混合并研磨，将粉末混合物压制成所需形状的本体，烧结该本体以将本体固结成在粘结相基质中具有硬质相成分的材料，最后进行精加工操作，如对烧结本体进行研磨。为了在硬质合金的烧结期间抑制硬质相晶粒生长，已知通常向用于金属切削和金属成形应用的硬质合金用的粉末混合物添加呈立方碳化物或氮化物的形式的晶粒生长抑制剂，如铬(cr)、钒(v)、钽(ta)、钛(ti)以及铌(nb)。这已经被证明对于用于冲击凿岩的硬质合金通常是有害的，因为晶粒生长抑制剂在烧结之后将在粘结相中形成脆的立方碳化物，该脆的立方碳化物将降低硬质合金的整体韧性。wo2016/151025公开了用于凿岩机柱齿(rockdrillbutton)的硬质合金的示例。一个凿岩机柱齿包括晶粒尺寸大约为1.8μm的wc、大约6wt％的co，并且该凿岩机柱齿具有大约1400hv3的硬度，并且另一个凿岩机柱齿包括晶粒尺寸大约为2.1μm的wc、大约6wt％的co、大约0.6wt％的cr，并且该凿岩机柱齿具有刚好低于1400hv3的硬度。据建议cr与co的比率为0.043至0.19有利于提高耐腐蚀性并使粘结相易于从自由fcc相转变为hcp相以在钻凿期间吸收一些能量。因此，该转变将使粘结相硬化。wo2016/151025还描述了钻头柱齿的硬度不高于1500hv3是必要的，否则硬质合金钻头柱齿将会太脆并且易于失效。已经尝试通过试图改善表面区域的韧性和/或硬度来改善硬质合金本体、如钻头嵌件的耐磨性。通过振动、滚动或离心处理(其中，硬质合金体开始运动以彼此碰撞或与容器壁碰撞，从而通过变形硬化而使表面机械硬化)应用表面处理。wo2009/123543、wo2013/135555、us2005/053511和us7,549,912都公开了这些处理方法的不同变型。对于改进冲击钻凿用硬质合金嵌件的耐磨性和使用寿命存在持续的需求。技术实现要素：本发明的目的是提供一种用于冲击凿岩和/或旋转钻凿的改进的钻头嵌件。该目的通过根据权利要求1的适用于冲击凿岩和/或旋转钻凿的钻头嵌件来实现，该钻头嵌件包括烧结的硬质合金本体，该烧结的硬质合金本体包括碳化钨(wc)的硬质相以及粘结相，其中，硬质合金包括5.0wt％至7.0wt％的co、0.10wt％至0.35wt％的cr，并且具有0.015至0.058的cr/co重量比。硬质合金本体具有≥1520hv30、优选地为1520hv30至1660hv30的主体(bulk)硬度以及klc≥10.0mn*m^(-3/2)的主体韧性，该主体硬度和主体韧性两者均是在主体中于穿过嵌件的中心的纵轴的中心处或距嵌件的任意表面≥5mm处、优选地在相对于穿过嵌件的中心的纵轴的横向方向上测量的。嵌件还具有在相对于嵌件的纵轴的横向方向上于本体的表面下方0.5mm的距离处测量的klc≥12.0的表面韧性。嵌件的硬质合金可以具有0.60μm至0.95μm的平均wc晶粒尺寸值。除了所提及的成分之外，该硬质合金还可以包括余量的wc或者包括可能的杂质的其他成分。硬的硬质合金改善了冲击钻凿用嵌件的耐磨性，然而，由于在钻凿期间冲击行程的高能，嵌件还必须有足够的韧性以避免脆性相关的磨损和破损机制。通过较小的wc晶粒尺寸或较低的粘结相含量可以实现改善的硬度，但是较小的wc晶粒倾向于在烧结过程中更多地生长并因此降低硬度。可以通过粘结相含量以及通过对制造期间的wc晶粒尺寸和最终产品中的wc晶粒尺寸进行控制来控制硬度。晶粒生长还受烧结温度和烧结时间的影响。已经发现，相对较低的cr含量可以抑制在烧结期间的wc晶粒生长，而不会损害用于冲击钻凿的硬质合金的性能。cr含量应当足够低，以使得所有cr优选地在烧结期间溶解于co粘结相中，并且在烧结的硬质合金的冷却期间没有碳化铬在粘结相中析出。已经发现，对于用于冲击凿岩的硬质合金，使用较低的与co相关的cr含量比先前已知的有利。这允许通过较小的wc晶粒尺寸将在嵌件的主体中测量的硬度增加至高于1520hv30。然而，如果在嵌件的主体中测量的硬度太高，比1660hv30高，则硬质合金对于冲击凿岩会变得太脆，从而导致更高的磨损。为了进一步改善磨损性能，使用在嵌件的主体中测量的≥1520hv30、优选为1520hv30至1660hv30的硬度和klc≥10.0的韧性、以及在嵌件本体的表面下方0.5mm处测量的klc≥12.0的表面韧性。表面韧性的增加可以通过下述处理过程来实现：在该处理过程中，烧结的硬质合金嵌件本体以受控的方式开始运动而彼此碰撞，从而在本体的表面中引起机械变形硬化。该处理还增加了嵌件本体的表面硬度。根据一个实施方案，嵌件的硬质合金具有0.60μm至0.95μm的平均wc晶粒尺寸值。根据一个实施方案，嵌件包括5.4wt％至6.4wt％的co。根据另一实施方案，嵌件包括5.6wt％至6.2wt％的co。根据又一实施方案，嵌件包括0.20wt％至0.30wt％的cr和/或0.025至0.055、优选地为0.031至0.055的cr/co重量比。根据另一实施方案，嵌件包括0.20wt％至0.30wt％的cr和/或0.031至0.042的cr/co重量比。较低的cr/co重量比将确保烧结后所有的cr都溶解在粘结相中。根据嵌件的另一实施方案，平均wc晶粒尺寸值为0.65μm至0.90μm。根据嵌件的另一实施方案，平均wc晶粒尺寸值为0.70μm至0.90μm。根据嵌件的另一实施方案，在主体中测量的硬度为≤1600hv30，优选地为1520hv30至1600hv30。具有高达1600hv30的硬度限制了脆性引起的磨损和破损机制。根据另一实施方案，在相对于嵌件的纵轴的横向方向上于本体的表面下方0.5mm处测量的嵌件的表面硬度≥1530hv30，优选地为1530hv30至1680hv30。根据另一实施方案，在相对于嵌件的纵轴的横向方向上于本体的表面下方0.5mm处测量的嵌件的表面硬度≥1540hv30，优选地为1540hv30至1700hv30。根据另一实施方案，嵌件具有klc≥11.0的主体韧性和/或klc≥13.0的表面韧性，其中，主体韧性是在主体中于穿过嵌件的中心的纵轴的中心处或距嵌件的任意表面≥5mm处、优选地在相对于穿过嵌件的中心的纵轴的横向方向上测量的，表面韧性是在相对于嵌件的纵轴的横向方向上于本体的表面下方0.5mm处测量的。根据另一实施方案，嵌件具有klc≥11.0的主体韧性和/或klc≥14.0的表面韧性，其中，主体韧性是在主体中于穿过嵌件的中心的纵轴的中心处或距嵌件的任意表面≥5mm处、优选地在相对于穿过嵌件的中心的纵轴的横向方向上测量的，表面韧性是在相对于嵌件的纵轴的横向方向上于本体的表面下方0.5mm处测量的。考虑到由co含量、平均wc晶粒尺寸以及硬度设定的限制，韧性尽可能高是有益的。根据另一实施方案，硬质合金还可以包括0wt％至0.2wt％、优选地为0wt％至0.15wt％、最优选地为0.05至0.15的立方碳化物(wxm1-x)c相(m＝ti、ta、nb、zr或hf)。其通常在制造期间将作为金属碳化物(例如tic或tac)添加到粉末混合物中。根据本发明的一个实施方案，嵌件包含规定量的co、cr和可选的立方碳化物以及余量的wc和不可避免的杂质。本发明还涉及一种钻头，该钻头包括一个或更多个根据本发明的钻头嵌件。该钻头可以用于冲击钻凿和/或旋转钻凿。本发明还涉及该钻头用于钻凿的用途。附图说明图1：通过钻头嵌件的中心处的纵轴(a)形成的横截面。图2：由于ac9的表面处理，韧性增加。这里通过来自具有14.5mm的直径且具有26.2mm的高度的嵌件的测量值表示。图3：由于ac10的表面处理，韧性增加。这里通过来自具有14.5mm的直径且具有26.2mm的高度的嵌件的测量值表示。图4：由于ac9的表面处理，硬度增加。这里通过来自具有14.5mm的直径且具有26.2mm的高度的嵌件的测量值表示。图5：由于ac10的表面处理，硬度增加。这里通过来自具有14.5mm的直径且具有26.2mm的高度的嵌件的测量值表示。图6：来自ac1、ac2、ac3和ac4组成的内部试验(in-housetesting)的磨损数据。图7：用于现场试验的试验钻头。示出了利用cop44std进行的主要地下钻凿工作(majordrilling,undergroundwork)。cop44是来自阿特拉斯·科普柯公司(companyatlascopco)的潜孔锤(dth)。具体实施方式在此关于制造过程和实施例对本发明进行详细描述。组成和粉末制备根据已建立的硬质合金制造工艺制造具有根据表1的组成的粉末批次。将根据表1中的示例的wc、co、c以及如cr3c2和nbc的晶粒细化添加剂的粉末在球磨机中研磨总共40小时至60小时。通过在研磨之前添加粒状碳粉末来调整所需的碳含量。该调整基于所分析的wc的c含量和粉末批次的所需的总c含量(cp)。在表1中，列出了计算出的相应的cr含量和nb含量。以克为单位的cr和nb的重量分别列为cr3c2和nbc。co、cr和nb的相应含量以wt％列出。采用湿磨条件，使用乙醇作为研磨液体，在5升研磨机中添加2wt％的作为有机粘结剂的聚乙二醇(peg3350)和12kg的wc-co研磨球。研磨之后，在氮(n)气氛中对浆料进行喷雾干燥。在研磨之前，利用费氏亚筛粒度仪(fsss)测量的wc晶粒尺寸大约为3μm。表1：硬质合金嵌件的组成。表1中，根据ac1、ac2、ac3、ac7、ac8、ac9和ac10的组成是在本发明范围内的组成。表1中，组成ac4、ac5和ac6是在本发明的范围之外的比较例。粉末的压制以及烧结通过单轴向压制由粉末制造生坯。形状是标准采矿钻头嵌件。在压制之后，通过使用烧结-热等静压(sinter-hip)将嵌件在30巴的氩气压力中在1480℃处烧结0.5小时。烧结的硬质合金材料基本上没有碳化铬析出物，但是在ac3的烧结结构中可以发现立方(wxnb1-x)c相的析出物。研磨通过无心研磨将嵌件研磨至所需直径。图2、图3、图4和图5中所示的嵌件的直径为约14.5mm的直径，并且高度约26.2mm。高能处理根据专利申请号pct/se2016/050451与公开号wo2016/186558中公开的方法，用高能方法处理嵌件。在离心机中用高能处理方法来处理钻头嵌件，以增加韧性和硬度。该离心机包括由固定的侧壁和能够围绕旋转轴旋转的底部形成的腔室，底部包括在旋转轴与侧壁之间延伸的6个突出部，侧壁包括推动元件(竖向脊部)，推动元件围绕侧壁的周缘设置以干扰(break)嵌件本体的向上运动与圆周运动。通过使容器的带有突出部的底部围绕旋转轴旋转来处理嵌件本体。然后嵌件本体开始运动以相互碰撞。推动元件在底部旋转期间通过从侧壁稍微推动嵌件来干扰嵌件的向上运动与圆周运动。因此，以可控的方式处理嵌件本体，并且嵌件本体的总体积在容器的下部处形成环形形状，嵌件本体在该容器的下部处以有限的相对运动四处移动并相互碰撞，以避免趋向于带来裂缝和碎屑的不受控制的大碰撞。使用的腔室的直径是350mm。该方法使用腔室中的水。将工艺用水与清洁剂(detergent)混合。为了在处理该少量的试验嵌件时将容器填充到所需的水平，添加相似尺寸或较小尺寸的硬质合金本体，使得经处理的硬质合金本体的总重量为大约40kg。根据该方法使用的程序根据表2和表4分为若干步骤。表2：高能处理程序ac1-ac4rpm(转数/分钟)包括开始/停止的时间[分钟]22020240102802030060表3：高能处理程序ac9rpm(转数/分钟)包括开始/停止的时间[分钟]22050230302403025030表4：高能处理程序ac10rpm(转数/分钟)包括开始/停止的时间[分钟]2205023030240302503028030300903506038060材料性能研究处理之后，研究钻头嵌件以验证效果。表5中示出了烧结材料性能的细节。硬度是在嵌件的中心处测量的主体硬度，嵌件中心处的硬度不太受处理的影响。根据高能处理，表面硬度较高。在ac3中添加铌导致析出痕量的脆性立方碳化物相((wxnb1-x)c)。仅添加铬不会导致任何含有硬质相的碳化铬的析出。使用光学显微镜(lom)和扫描电子显微镜(sem)来研究嵌件。不含cr的组成、即ac4至ac6将需要相当低的烧结温度以达到与本发明范围内的组成相似的硬度。甚至当在1400℃处烧结ac4组成时，也未达到所需的硬度。由于ac5和ac6的硬度低，因此未进行现场试验。表5：根据ac1至ac10生产的材料的详细信息。*ms＝磁性钴的百分比。根据表5中的本发明的嵌件具有在0.60μm至0.95μm的范围内的平均wc晶粒尺寸。表5中的韧性和硬度值是在材料几乎不受高能处理影响的主体处测量的。使用标准iso28079:2009中的用于硬质金属的巴氏韧性试验(palmqvisttoughnesstest)来测量材料的韧性(klc)。根据方法b来测量裂缝长度。对于硬度iso3878:1983，使用硬质金属-维氏硬度试验。根据iso3369-1975测量密度，根据iso3326-1975来测量矫顽力，并且可以根据astmb886:2008来测量ms。图1示出了通过穿过钻头嵌件的中心的纵轴(a)形成的横截面。图1中的嵌件未按比例绘制，并且仅旨在示意性地示出用于硬度和韧性测量的位置的原理。该图示出了距在图的顶部处观察的嵌件表面的顶部0.5mm、1.0mm(偏移)、2.0mm、5.0mm和10.0mm处的用于硬度和韧性测量的压痕。1.0mm处的压痕偏离纵轴(a)，以定位得距0.5mm处的压痕足够远。这里示出了如何在主体中于穿过嵌件的中心的纵轴(a)的中心处或距嵌件的任意表面≥5mm处、优选地在相对于穿过嵌件的中心的纵轴的横向方向上测量硬度和韧性。该方向可以与纵轴(a)垂直。如果嵌件的直径和长度足够大，则优选地使用距嵌件本体的任意表面≥5mm的测量位置。否则，应当选择接近纵轴(a)或位于嵌件的沿着纵轴(a)的中心处的用于主体值的测量点。目的是测量材料几乎不受高能处理影响的位置处的主体硬度和韧性。在图1中还示出了如何优选地通过在相对于纵轴(a)的横向方向上定位于距嵌件的顶表面0.5mm的距离处的压痕来测量表面区域中的硬度和韧性作为表面硬度的测量值。该方向可以与如图1中所示的纵轴(a)垂直。然而，也可以在围绕嵌件的表面周缘的其他位置处测量表面硬度和韧性。而且，对于根据ac9组成和ac10组成的嵌件，在钻头嵌件的纵轴的整个长度上测量了材料的韧性和硬度。发现已经实现了表面韧性和表面硬度的增加。可以在图2、图3、图4和图5的图表中看到对钻头嵌件的韧性的研究的数据。如在图2(ac9)和图3(ac10)中看到的，韧性朝向表面增加，并且如图4(ac9)和图5(ac10)中看到的，硬度也朝向表面增加。对于图2和图3中的数据点，假定高能处理的影响随着距表面的距离是对数衰减的，已经完成了对距离表面0.2mm的点的曲线拟合。在比距表面0.5mm更近距离处，通过用hv30的压痕进行的韧性(klc)测量不能以良好的精度和再现性进行。较低的载荷(如hv10或hv3)导致裂缝长度不足以用于精确且可重复地测量klc。实验室试验：瑞典硬质花岗岩中的顶锤冲击钻凿试验。研究了组成ac1至ac4(ac4是用于该应用的标准参照组成)。如从图6中的结果可以看出，具有ac1、ac2和ac3组成的嵌件比参照物更好。所试验的钻头嵌件的硬度在本发明的指定硬度目标的较低范围内。从该试验的结果可以得出结论，1520hv30应当是本发明的范围的部分的硬度的下限。现场试验使用dth4.75英寸的钻头和阿特拉斯·科普柯公司44std锤在地下进行试验。针对具有pcd(多晶金刚石)涂覆的周缘钻头嵌件和含有大约6wt％的co且不含cr的当前耐磨标准硬质合金级的性能最佳的钻头对钻头嵌件进行了试验。试验钻头具有根据ac9组成和性能制成的嵌件。两个钻头均以800英尺/244m进行钻凿。对于pcd钻头嵌件，周缘钻头嵌件的磨损如预期那样较高，但是根据ac9的嵌件表现几乎与预期一样好并远高于预期。pcd钻头嵌件的生产成本大约是根据本发明的硬质合金钻头嵌件的10倍大。当比较中心钻头嵌件的磨损时发现，对于当前最耐磨的标准阿特拉斯·科普柯赛柯洛克级(atlascopcosecorocgrade)，相磨损的平均直径(磨损的嵌件上的平点)大约为15mm(φ＝19mm)。然而，ac9钻头嵌件的相磨损平均为1mm至2mm。这在图7中示出，其中，具有pcd涂覆的周缘嵌件的钻头在左侧示出，并且具有ac9嵌件的钻头在右侧示出。出于研究具有根据本公开的硬质合金材料的嵌件本体的目的，优选地使用iso28079:2009中的用于硬质金属的巴氏韧性试验来用于韧性试验。对于硬度iso3878:1983，优选地使用硬质金属-维氏硬度试验。为了确定根据本公开的(算数)平均wc晶粒尺寸值，优选地使用根据iso4499-2:2008的线性截距技术。优选地使用sem显微照片。尽管本申请中描述的实施方案涉及冲击钻凿，但是根据本发明的嵌件还可以用于供旋转钻凿或旋转钻凿与冲击钻凿的组合用的不同类型的钻头。已经参照具体实施方案描述了本发明。对于本领域技术人员明显的是，在权利要求限定的本发明的范围内，其他实施方案也是可能的。如本申请中的“包括”、“包括有”或“包含”之类的术语以非排他性含义使用，使得所有包括或包含的内容可以与附加内容一起完成。当前第1页12