高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头及其制造方法与流程

本发明涉及超硬复合材料技术领域，尤其涉及一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头及其制造方法。

背景技术：

传统的煤炭和矿物钻采，隧道和巷道掘进及路面铣刨等工程施工基本上都是采用硬质合金截齿头。但硬质合金截齿头使用过程中存在耐磨性低和寿命短等问题，尤其是遇到坚硬或复杂岩层时，其寿命几乎是按分钟，进尺按米来计算，导致综合使用成本高，效率低。为此，不少厂家都致力于研发聚晶金刚石硬质合金复合截齿头（以下简称“金刚石齿头”）来取代硬质合金齿头。现有的金刚石齿头一般由与齿头外形相似的硬质合金基体及基体端部金刚石粉料烧结而成，实现了金刚石层高耐磨特性，但因金刚石材料同硬质合金材料间热膨胀系数、弹性模量等物理指标的固有差异，加之金刚石粉料尤其是齿头顶部粉料偏薄，导致金刚石齿头抗冲击性低，难以满足截齿高频冲击工况使用。同时，金刚石材料在空气中大于850℃产生石墨化和高温热损伤等问题，导致金刚石齿头的截齿（以下简称“金刚石截齿”）在焊接过程中不能按照硬质合金齿头截齿普遍大于900℃的高温工艺进行，因此金刚石截齿上金刚石齿头的焊接牢固性和耐热性也成为后续制约截齿施工应用表现的关键因素。

针对金刚石齿头的材质和结构特性，适宜焊接温度应不超过700℃。现有金刚石齿头基体焊接部分通常为圆柱体结构，固齿力较弱，加之相对较低的焊接温度，以及焊接中容易出现的夹砂、微裂纹、虚焊等问题，以及使用中强大的冲击负荷等工况，导致施工中金刚石齿头脱焊、脱落频发。

目前，针对金刚石截齿工程应用中出现的脱齿问题，研究提出了多种措施，比如冷压过盈配合，热压过盈配合，火焰钎焊，感应钎焊，真空扩散焊等，效果参差不齐，很难从根本上解决问题。针对金刚石截齿焊接和应用中金刚石齿头抗冲击性不足问题，也有不少措施提出，如：在基体和金刚石层结合界面增加各种凸起和条棱等结构，以期增强二者间结合力。改变金刚石齿头外形或结构，以期减少使用中齿头受冲击强度和受力分布。这些措施对改善金刚石层静态附着力有利，但对金刚石齿头抗冲性能的根本改善并不充分。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头及其制造方法，旨在有效改善复合齿头抗冲击性，同时增强金刚石齿头固齿力，以更大限度地减少金刚石齿头脱落风险。

为实现上述目的，本发明提供一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头，包括硬质合金基体以及复合于硬质合金基体头部的聚晶金刚石层，其中，

所述聚晶金刚石层为n层结构，n大于或等于2，聚晶金刚石层的顶部为球冠形状，聚晶金刚石层的腹部为圆弧旋转一周形成的球面，聚晶金刚石层的顶部和腹部通过圆角平滑过渡，聚晶金刚石层的顶部球面半径小于或等于腹部球面半径；

所述硬质合金基体设置有顶部、中部和底部，硬质合金基体的顶部复合有聚晶金刚石层，硬质合金基体的中部为圆台结构，硬质合金基体的底部为至少两层圆台结构，硬质合金基体的中部圆台其上底面半径小于下底面半径。

优选地，所述聚晶金刚石层顶部球冠结构的球面半径为0.5mm-5mm，聚晶金刚石层腹部的球面半径为5mm-45mm。

优选地，所述硬质合金基体的顶部为圆台结构，硬质合金基体的顶部圆台上底面和侧面之间通过圆弧平滑过渡，硬质合金基体的顶部圆台上底面半径小于下底面半径。

优选地，所述硬质合金基体顶部圆台纵剖面对应斜边夹角为30°-150°，硬质合金基体顶部圆台侧面上设有凸棱，凸棱截面为圆弧形，凸棱的边缘同圆台侧面平滑过渡。

优选地，所述凸棱的圆弧半径为0.1mm-3mm，凸棱垂直圆台侧面的凸起高度为0.1mm-3mm。

优选地，所述硬质合金基体顶部圆台的下底面和中部圆台的上底面在同一平面，且顶部圆台下底面半径小于或等于中部圆台上底面半径；所述硬质合金基体中部圆台纵剖面对应斜边夹角α2为0.5°-45°。

优选地，所述聚晶金刚石层的厚度大于或等于2mm；所述聚晶金刚石层由微米和/或纳米尺寸的金刚石、碳化钨、钴、钨、镍混合烧结而成，其中粉料平均粒度数值第n层大于或等于第n-1层，粉料中的金刚石粉含量百分比数值第n层小于或等于第n-1层。

优选地，所述聚晶金刚石层的第2层至第n层顶部均为圆形平台，聚晶金刚石层的第2层至第n层腹部均为圆弧旋转一周形成的球面，聚晶金刚石层的第2层至第n层顶部和腹部通过圆角平滑过渡，第n-1层顶部圆形平台半径小于或等于第n层，第n层腹部球面半径大于或等于第n-1层腹部球面半径。

本发明进一步提出一种基于上述的高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的制备方法，包括以下步骤：

将硬质合金基体的顶部进行喷砂处理，并超声波清洗后，烘干备用；

分别混合聚晶金刚石层不同层所用的粉料，将混合粉料称重装入金属杯中进行压实造型，由外至内，依次成型制备出各粉料层；

将成型好的金刚石第n层粉料放置于处理好的硬质合金基体上，将硬质合金基体、金刚石混合粉料和金属杯压实形成合成模总成1#；

将压实后的总成1#进行高温真空净化处理；

将高温净化处理后的总成1#装入合成模中，组成完整的金刚石齿头合成模总成2#；

将总成2#在六面顶液压机上，高温高压烧结成型，制得金刚石齿头毛坯；

将金刚石齿头毛坯经金刚石端面喷砂，外圆磨削，硬质合金端面平面和倒角磨削，加工成所需外形尺寸金刚石齿头成品。

优选地，高温真空净化处理时，温度为500℃-900℃，真空度值为10^-2pa-10^-4pa；高温高压烧结成型时，放置于六面顶液压机的压腔体内时，设置温度1300℃-1700℃和压力4.5gpa-8.5gpa。

本发明提出的高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头，具有以下有益效果：

1.通过在金刚石齿头的金刚石层设置多层成分和结构的过渡层结构，尤其是在齿头顶部设置多层且加厚的过渡层结构，有效实现了金刚石表层尤其是齿头部位同硬质合金层弹性模量和热膨胀系数等平滑过渡，使得复合截齿头的整体冲击强度大大增强；

2.通过在金刚石齿头中部焊接部位由圆柱结构改进为圆台结构，且中部圆台上底面半径小于下底面半径，该结构使得齿头在截齿齿穴内的焊接牢固性增强，可有效减少齿头在掘进和铣刨过程中高频外力冲击下的脱落风险，有效提升金刚石截齿在工程施工中高效率和低成本优势。

附图说明

图1为本发明高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的第一实施例的剖面结构示意图；

图2为本发明高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的第一实施例中硬质合金基体的外形结构示意图；

图3为本发明高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的第二实施例的剖面结构示意图；。

图4是本发明金刚石齿头合成模总成2#的剖面结构示意图；

图5为本发明高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头制造方法的流程示意图。

图中，1-硬质合金基体，11-硬质合金基体的顶部，111-凸棱，12-硬质合金基体的中部，13-硬质合金基体的底部，131-第一底部圆台，132-第二底部圆台，2-聚晶金刚石层，21-聚晶金刚石层的顶部，22-聚晶金刚石层的腹部，200-聚晶金刚石层第一层，201-聚晶金刚石层第二层，2011-圆形平台，202-聚晶金刚石层第三层，30-导电钢圈，31-金属片，32-石墨片，33-石墨环，34-氯化钠，40-总成1#。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头。

参照图1、图2和图4，本发明提出一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的第一实施例。本实施例中，高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头包括硬质合金基体1以及复合于硬质合金基体1头部的聚晶金刚石层2，其中，

聚晶金刚石层2为n层结构，n大于或等于2，聚晶金刚石层2的顶部为球冠形状，聚晶金刚石层2的腹部为圆弧旋转一周形成的球面，聚晶金刚石层2的顶部和腹部通过圆角平滑过渡，聚晶金刚石层2的顶部球面半径小于或等于腹部球面半径；

硬质合金基体1设置有顶部、中部和底部，硬质合金基体1的顶部11复合有聚晶金刚石层2，硬质合金基体1的中部12为圆台结构，硬质合金基体1的底部13为至少两层圆台结构（本实施例中，硬质合金基体1的底部13为两层圆台结构），硬质合金基体1的中部12圆台其上底面半径小于下底面半径。硬质合金基体1各底部圆台其上底面半径均大于下底面半径。

具体地，聚晶金刚石层2顶部球冠结构的球面半径为0.5mm-5mm（本实施例中以聚晶金刚石层2的顶部球面半径为1mm为例说明），聚晶金刚石层2腹部的球面半径为5mm-45mm（本实施例中以聚晶金刚石层2的腹部球面半径为20mm为例说明）。

具体地，硬质合金基体1的顶部11为圆台结构，硬质合金基体1的顶部11圆台上底面和侧面之间通过圆弧平滑过渡，硬质合金基体1的顶部11圆台上底面半径小于下底面半径。

具体地，硬质合金基体1顶部圆台纵剖面对应斜边夹角α1为30°-150°，硬质合金基体1顶部圆台侧面上设有凸棱111，凸棱111截面为圆弧形（半圆形或部分圆形），凸棱111的边缘同圆台侧面平滑过渡。凸棱111条数大于或等于1条。

凸棱111的截面圆弧半径为0.1mm-3mm，凸棱111垂直圆台侧面的凸起高度为0.1mm-3mm。凸棱111为断续或连续环状。

具体地，硬质合金基体1顶部圆台的下底面和硬质合金基体1中部圆台的上底面在同一平面，且顶部圆台下底面半径小于或等于中部圆台上底面半径；硬质合金基体1中部圆台纵剖面对应斜边夹角α2为0.5°-45°。硬质合金基体1的第一底部圆台131纵剖面对应斜边夹角α3为90°-180°，第二底部圆台132纵剖面对应斜边夹角α4为10°-120°间。

本实施例中，聚晶金刚石层2的厚度大于或等于2mm。

聚晶金刚石层2由微米和/或纳米尺寸的金刚石、碳化钨、钴、钨、镍混合烧结而成，其中粉料平均粒度数值第n层大于或等于第n-1层，粉料中的金刚石粉含量百分比数值第n层小于或等于第n-1层。

聚晶金刚石层2的第2层至第n层顶部均为圆形平台2011（圆形平台2011指直线旋转一周形成的平台），聚晶金刚石层2的第2层至第n层腹部均为圆弧旋转一周形成的球面，聚晶金刚石层2的第2层至第n层顶部和腹部通过圆角平滑过渡，第n-1层顶部圆形平台2011半径小于或等于第n层，第n层腹部球面半径大于或等于第n-1层腹部球面半径。

本实施例中，金刚石齿头的硬质合金基体1结构如图1和图2所示，硬质合金基体1的顶部11圆台其上底面半径为3mm，下底面半径为15mm，顶部圆台其侧面上有两条凸棱111，凸棱111截面为半圆形，半径为0.5mm，凸棱111的边缘同圆台侧面平滑过渡。两条凸棱111垂直圆台侧面的凸起高度均为0.5mm。硬质合金基体1的中部12圆台上底面的半径r6为15.97mm。顶部圆台纵剖面两斜边夹角α1为85°。中部圆台纵剖面两斜边423夹角α2为5°。第一底部圆台131纵剖面两斜边夹角α4为90°。第二底部圆台132纵剖面两斜边夹角α3为140°。

聚晶金刚石层2含两层结构，分别为聚晶金刚石层第一层200和聚晶金刚石层第二层201。聚晶金刚石层第一层200的顶部为球冠形状，球面半径为1mm，腹部为圆弧旋转一周形成的球面，球面半径为20mm。聚晶金刚石层第二层201顶部为圆形平台2011，半径为2.0mm，腹部为圆弧旋转一周形成的球面，球面半径为21mm，圆形平台2011边缘和聚晶金刚石层2腹部顶部通过圆角r1.5mm平滑过渡。

本高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的制备方法如下。

硬质合金基体1含钴为10wt.%，含wc为90wt.%，其中，wc晶粒约5微米。将硬质合金的外圆磨削加工至所需尺寸，平磨磨削至所需尺寸，万能外圆磨床加工成型锥面尺寸至所需。喷砂，超声波清洗30min后烘干备用。

聚晶金刚石层第一层200含金刚石微粉75wt.%，金刚石微粉粒径4-15微米，含wc粉为14wt.%，wc粉粒径0.5微米，含co粉为10wt.%，co粉粒径0.3微米，含w粉为1wt.%，w粉粒径0.3微米。聚晶金刚石层第二层201含金刚石微粉55wt.%，金刚石微粉粒径15-50微米，含wc粉为35wt.%，wc粉粒径0.5微米，含co粉为4wt.%，co粉粒径0.3微米，含w粉为5wt.%，w粉粒径0.3微米，含ni粉为1wt.%，ni粉粒径0.5微米。将上述2种粉料分别称重，加无水乙醇，在行星球磨机上混料30分钟，充分混合，烘干备用。

将处理好的金刚石层混合粉料称重装入金属杯中，压实造型制备出第一层粉料，再将处理好的金刚石层混合粉料称重装入已经放置有第一层粉料的金属杯中，在第一层粉料基础上再压实造型以制备出第二层粉料。

将处理好的硬质合金基体1放置在成型好的金刚石两层粉料上，其中顶部接触金刚石混合粉料。将硬质合金基体1、金刚石混合粉料和金属杯压实形成总成1#。

将压实后的总成1#进行高温真空净化处理，处理温度为550℃，真空度值为10^-3pa；

将高温净化处理后的总成1#装入如图4所示专用合成模中，组成完整的金刚石复合截齿头合成块总成2#。

将上述总成2#在国产六面顶液压机上，采用约1500℃和7.0gpa条件下高温高压烧结成型，高温高压烧结时间约35min，制得金刚石齿头毛坯。

将上述金刚石齿头毛坯经金刚石端面喷砂，外圆磨削，硬质合金端面平面和倒角磨削，加工成所需外形尺寸金刚石齿头成品。

将本实例一的金刚石齿头，采用ag40cu19zn21cd材质焊丝，焊接温度约620°，火焰钎焊至试验夹具上，进行摆锤冲击试验正向冲击，使用hrc58.5材质cr12mov冲击块，在冲击能量150j下，平均抗冲击次数达到400次。冲击测试后，金刚石齿头和试验夹具间焊接牢固，齿头无松脱。

本发明进一步提出高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的第二实施例。

参照图3，本实施例与上述第一实施例不同的是，聚晶金刚石层2含三层结构，分别为聚晶金刚石层第一层200、聚晶金刚石层第二层201和聚晶金刚石层第三层202。聚晶金刚石层第一层200顶部为球冠，球面半径为1.0mm，腹部球面半径为20mm。聚晶金刚石层第二层201顶部为圆形平台2011，半径为1.5mm，腹部球面半径为21mm，圆形平台2011边缘和聚晶金刚石层第二层201腹部顶部通过圆角r2.0mm平滑过渡。聚晶金刚石层第三层202顶部为圆形平台2011，半径为2.0mm，腹部球面半径为22mm，圆形平台2011边缘和聚晶金刚石层第三层202腹部顶部通过圆角r1.5mm平滑过渡。

本高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的制备方法如下。

硬质合金基体1含钴为13wt.%，含wc为87wt.%，wc晶粒约3微米。将硬质合金外圆磨削加工至所需尺寸，平磨磨削至所需尺寸，万能外圆磨床加工成型锥面尺寸至所需。喷砂，超声波清洗30min后烘干备用。

聚晶金刚石层第一层200含金刚石微粉75wt.%，金刚石微粉粒径4-15微米，含wc粉为14wt.%，wc粉粒径0.5微米，含co粉为10wt.%，co粉粒径0.3微米，含w粉为1wt.%，w粉粒径0.3微米。聚晶金刚石层第二层201含金刚石微粉65wt.%，金刚石微粉粒径10-35微米，含wc粉为24wt.%，wc粉粒径0.5微米，含co粉为8wt.%，co粉粒径0.3微米，含w粉为3wt.%，w粉粒径0.3微米。聚晶金刚石层第三层202含金刚石微粉55wt.%，金刚石微粉粒径15-50微米，含wc粉为35wt.%，wc粉粒径0.5微米，含co粉为4wt.%，co粉粒径0.3微米，含w粉为5wt.%，w粉粒径0.3微米，含ni粉为1wt.%，ni粉粒径0.5微米。将上述3种粉料分别称重，加无水乙醇，在行星球磨机上混料30分钟，充分混合，烘干备用。

将处理好的金刚石层混合粉料称重装入金属杯中，压实造型制备出粉料第1层，再将处理好的金刚石层混合粉料称重装入金属杯中，压实造型制备出粉料第2层，再将处理好的金刚石层混合粉料称重装入金属杯中，压实造型制备出粉料第3层。其余制备和加工方法同实施例一。

将本实例二的金刚石齿头，采用ag40cu19zn21cd材质焊丝，焊接温度约620°，火焰钎焊至试验夹具上，进行摆锤冲击试验正向冲击，使用hrc58.5材质cr12mov冲击块，在冲击能量150j下，平均抗冲击次数达到500次。冲击测试后，金刚石齿头和试验夹具间焊接牢固，齿头无松脱。

本发明提出的高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头，具有以下有益效果：

1.通过在金刚石齿头的金刚石层设置多层成分和结构的过渡层结构，尤其是在齿头顶部设置多层且加厚的过渡层结构，有效实现了金刚石表层尤其是齿头部位同硬质合金层弹性模量和热膨胀系数等平滑过渡，使得复合截齿头的整体冲击强度大大增强；

2.通过在金刚石齿头中部焊接部位由圆柱结构改进为圆台结构，且中部圆台上底面半径小于下底面半径，该结构使得齿头在截齿齿穴内的焊接牢固性增强，可有效减少齿头在掘进和铣刨过程中高频外力冲击下的脱落风险，有效提升金刚石截齿在工程施工中高效率和低成本优势。

本发明进一步提出一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的制造方法。

参照图5，本实施例中，一种高抗冲击抗脱落聚晶金刚石硬质合金截齿头的制造方法包括以下步骤：

将硬质合金基体的顶部进行喷砂处理，并超声波清洗后，烘干备用；

分别混合聚晶金刚石层不同层所用的粉料，将混合粉料称重装入金属杯中进行压实造型，由外至内，依次成型制备出各粉料层；

将成型好的金刚石第n层粉料放置于处理好的硬质合金基体上，将硬质合金基体、金刚石混合粉料和金属杯压实形成合成模总成1#；

将压实后的总成1#进行高温真空净化处理；

将高温净化处理后的总成1#装入合成模中，组成完整的金刚石齿头合成模总成2#；

将总成2#在六面顶液压机上，高温高压烧结成型，制得金刚石齿头毛坯；

将金刚石齿头毛坯经金刚石端面喷砂，外圆磨削，硬质合金端面平面和倒角磨削，加工成所需外形尺寸金刚石齿头成品。

具体地，高温真空净化处理时，温度为500℃-900℃，真空度值为10^-2pa-10^-4pa；高温高压烧结成型时，放置于六面顶液压机的压腔体内时，设置温度1300℃-1700℃和压力4.5gpa-8.5gpa。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。