CN103362445A

CN103362445A - 一种金刚石夹心式硬质合金矿山凿岩刀片制备技术

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Publication number: CN103362445A
Application number: CN2012101017212A
Authority: CN
Inventors: 吴庆华; 吴庆文; 金昕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2013-10-23

Abstract

随着国民经济不断发展，在铁路、公路、矿山。煤矿及房地产等行业，大量使用硬质合金矿山凿岩钻头刀片。60多年来矿山凿岩钻头的钻进速度和耐磨寿命一直是人们期盼提高和改进的问题。这是因为这种钻头刀片使用的条件往往是在十分寒冷潮湿及炎热，而且通风、排尘十分恶劣的地下和山洞条件下，显然无论何人都希望矿山凿岩钻头刀片的切削钻进速度越快，寿命越高越好。但遗憾的是60多年来钻头刀片的性能没有多少变化。本发明提供一种制备，金刚石夹心式硬质合金矿山凿岩刀片的制备技术，采用一种新型的人造金刚石夹心的技术，在常规YG11C硬质合金矿山刀片的工作截面内，均匀地，深段的高压机械嵌入人造金刚石颗粒，并经高温钎焊加固，制备成一种成本较低、钻进速度和耐磨性能极佳的新型硬质合金矿山凿岩钻头刀片。大大提高了现有矿山凿岩刀片的工作效率。本发明使用的技术和设备均为多年的成热技术。适合于大规模生产，投资较低。产品的国内外市场十分广阔，适合于中、小、微企业投资经营。

Description

一种金刚石夹心式硬质合金矿山凿岩刀片制备技术

技术领域

本发明属于金属材料中硬质合金矿山工具合金的制备技术领域，特别是提供了一种新的用人造金刚石夹心技术，在常规硬质合金矿山钻头刀片的工作截面内，均匀地深段的高压机械嵌入人造金刚石颗粒，并经高温钎焊加固，制备成一种钻进速度和耐磨性能极佳的新型硬质合金矿山凿岩刀片。这种技术适合于工业化大规模生产，便于推广使用，市场前景十分广阔。

背景技术

我国是硬质合金生产大国，每年产量超过8000吨。我国钨矿资源十分丰富，占世界首位，每年在矿山工具方面消耗的硬质合金约超过1500吨。随着国民经济不断发展，在铁路、公路、矿山。煤矿及房地产等行业，大量需要硬质合金矿山钻头刀片。我国自1952年开始大量生产并拥有世界最大规模的生产基地。无论生产品种、型号及合金性能上一直处于世界一流水平。但就矿山钻头刀片来说，无论是国内或国外各家产品，除在合金成分和尺寸上有些改变外，其他方面均未改变，因此6Q多年来矿山钻头的钻进速度和耐磨寿命一直是人们期盼提高和改进的问题。由于这种钻头刀片使用的条件往往是在十分寒冷潮湿及炎热，而且通风、排尘十分恶劣的地下和山洞条件下，显然无论何人都希望钻头刀片的切削钻进速度越快，耐磨寿命越高，越好。但遗憾的是60多年来钻头刀片的性能没有多少变化。这主要是由于硬质合金中采用的硬质相为(WC)碳化钨相，其维氏硬度为Hv＝1780(kg/mm²)。但是，实际矿山需要凿岩的石材中，往往含有很多比WC还硬的颗粒，如金刚石、Al₂O₃、NbC、VC、TiC、Z_rC、H_fC、及很多复合陶瓷颗粒。这些颗粒的维氏硬度Hv，金刚石＝6800(kg/mm²)，Al₂O₃＝2800(kg/mm ²)，NbC＝1961(kg/mm²)，VC＝2094(kg/mm²)，TiC＝3200(kg/mm²)，Z_rC＝2925(kg/mm²)，H_fC＝2915(kg/mm²)等，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，它只能在岩石的莫氏硬度为6级以下时(金刚石为10级)才能很好的进行切削工作。但实际上，由于岩石的脆性较大，材料工作者很早就想到在钻头工作时可利用强大的撞击力，先将岩石表面撞裂然后再进行切削。事实上为了适应抗冲击力的使用条件，在生产合金时特地选用了粗颗粒(平均粒径20～30um)的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，金刚石是自然界中硬度最高(Hv＝6800kg/mm²)的物质，80年代后期我国人造金刚石产量已跃居世界第二位，目前已居第一位。80多年来人们就希望用金刚石材料做成矿山用的钻头刀片，世界各国均作了大量的研究工作，除了在钻具(如钻杆和钻头的外形尺寸，形状，空心结构等)上进行了大量改进外，在使用金刚石材料上也作了大量的研究，主要是采用低熔点金属和合金(铜、锌、锡、银、铅等)对金刚石颗粒(混合粉热压工艺)孕镶技术和大颗粒金刚石的(表面镶嵌焊接工艺)表镶技术。上述两种技术也有多年的生产经验。特别是用孕镶技术大量生产用于各种陶瓷、玻璃、硅单晶、水泥、砖石等的金刚石切割片或大理石切割，研磨工具等。表镶技术很早也被用于制造地质钻头和石油钻头。但是近100多年的研究表明，没有任何一种液态金属能够完全浸润(浸润角为零)金刚石表面。这实际上说，没有任何一种低溶点(＜1000℃)的金属或合金能够作为金刚石的焊接金属。因此上述的孕镶和表镶技术，实质上并不是把金刚石焊接在合金内，只不过是在高温下用已经柔软的低熔点金属将金刚石颗粒，机械式的包镶起来。这样从材料结构上看就会出现致命的弱点：

1、低熔点金属和合金(一般硬度，强度均低、易变形)不能对金刚石颗粒提供大负荷的三维高强度的刚性支撑，又没有很强的焊接介面，在切削工作时金刚石颗粒很易脱落，故只能在高速条件下，尽量利用和发挥金刚石的动能切削能力较为合适。正因如此，势必要求切削工具的速度必然是高速。一般线速度＞50米/秒

2、金刚石工具必须在水冷或强风冷条件下才能工作，否则因低熔点金属很快升温软化而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片机上，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。遗憾的是在凿岩钻头刀片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，同时又有频率很高、压力很大的冲击力作用，因此在凿岩刀片中如何能引入金刚石颗粒，并为其创造一个具有高负荷、三维高强度、高刚度的刚性支撑条件，这是多少年来材料工作者梦寐以求的幻想。其关键的难点其1是：不可能用强度、硬度能比铜合金更高(一般熔点必然＞1000℃)的金属，通过高温软化热压或烧结等包镶手段，对金刚石提供三维高强度的刚性支撑条件。这是因为当温度＞1000℃时金刚石已变质(石墨化)失去了硬度最高的天性、其2是：硬质合金的制备工艺中需要经过1400～1450℃的高温烧结过程。这对金刚石颗粒来说是不能接受的。为了解决上述矛盾，本发明从材料的制备工程技术上及材料的结构上进行了创新，提出并研究了金刚石夹心式的硬质合金凿岩刀片的制备技术。其具体原理及发明内容如下。

发明内容

本发明的原理和工艺步骤如下：

本发明的原理是先用常规的硬质合金生产工艺，在矿山凿岩钻头刀片中，事先制造出可以充填人造金刚石颗粒的小孔，待硬质合金高温烧结后，在压力下强力将金刚石颗粒充填到硬质合金的小孔内，然后采用低熔点合金(Cu、Zn、Sn、Pb)在低于950℃的温度下，进一步将金刚石颗粒与硬质合金的小孔壁焊接。由于金刚石颗粒是在压力下充填到硬质合金小孔内，在金刚石颗粒之间以及金刚石颗粒与坚硬的硬质合金孔壁之间，可形成一种三维的(上、下、左、右)较为稳定的刚性支撑条件。相互挤压，刚性接触支撑并经过低熔点金属液的浸润焊接，最终可使金刚石颗粒在三维方向上能够获得一种完全稳定的高负荷(＞5000MPa)的三维高强度纯抗压负荷的刚性支撑条件。实际上是硬质合金刚性小孔内表面直接支撑。由于硬质合金的抗压强度非常高(＞5500MPa)，弹性模量更大(5800～5900MPa)，高速钢为2000～2300(MPa)。所以，在切削的剪切应力和巨大的冲击力同时作用下，作为支撑的基体合金不会发生微小的弹性和塑性变形。金刚石颗粒才能发挥高切削速度和高耐磨寿命的特性。从复合材料的角度看这是两种材料优点的复合，在使用过程中两者可互相保护，互相支撑。

本发明的工艺步骤(见附图1)

附图1是本发明的制备工艺流程图，其中制备多孔刀片毛坯1；多孔刀片毛坯进行真空烧结2；烧结后多孔刀片填充金刚石3；填充金刚石的多孔刀片进行高频焊接4；高频焊接后的刀片进行产品质量检验5；合格产品进行包装6

附图1说明：

1、制备多孔刀片毛坯

a、按照实际使用的刀片外形及尺寸，设计多孔刀片的成型模(见附图2)，其中必需在刀片的纵向中心线上，设计出5个均匀分布的(Φ＝2mm)的小孔及相应的芯杆。附图2中：2-1上冲头；2-2阴模；2-3芯杆；24混合料；2-5下冲头；

b、混合料制备：按YG11C牌号合金的常规生产工艺生产合金混合料；WC粉粒度20～30μm，粉重89％质量、钴粉粒度1.5～2μm，粉重11％质量。球磨机中加酒精(酒精重≥1/2粉重)湿磨混合12小时，沉淀、烘干、加胶制成合金混合料(同常规YG11C生产工艺)。

C、压制多孔刀片毛坯见附图2，附图2中：2-1为上冲头；2-2是阴模；2-3是芯杆；2-4是混合料；2-5是下冲头、在附图2所示成型模内，将混合粉压制成有5个直径为Φ2mm的，纵向贯通的多孔毛坯。

2、真空烧结

将多孔刀片毛坯(50～80℃，2小时)烘干后，装入石墨舟中，在真空炉内5～10Pa，1430～1450℃，1小时烧结后出炉，可得含有五条(Φ1.66mm)直通孔的合金刀片。

3、充填金刚石

a、小孔清理：

用Φ1.5mm金刚石磨针，在高速(＞10000周/分)手钻上，将小孔内表面打磨干净，然后用丙酮液清洗，风干后待用。

b、充填金刚石粉见附图3，附图3中3-1是五孔漏斗；3-2是五孔合金刀片；3-3是金刚石粉；3-4是橡胶皮；3-5是钢模座。

C、用Φ1.2mm的钢针，在压力下，将粒径＜0.2～0.5mm的人造金刚石粉，充填到合金刀片的5个小孔内，充填时可用小锤将金刚石粉打实。充填高度为小孔的(1/2～2/3)高度(实际使用高度)在金刚石粉中可加入5％质量分数的(320目)663铜合金粉(作为诱导金属)也可加入浓度为3～5％(质量分数)的PVA(聚乙烯醇)水溶液。按(金刚石+铜粉)∶PVA＝100∶0.3(质量比)加入。

4、高频焊接(见附图4)

附图4中4-1是铜丝；4-2是合金刀片；4-3是石墨模；4-4是高频感应圈；4-5是陶瓷架；4-6是金刚石粉。

高频焊接是将装有金刚石粉的凿岩刀片，放入高频焊接机的夹具内在刀片的小孔内加入Φ1.5mm直径的(663)铜丝(比孔边缘稍高2mm)，用高频焊接机将铜丝熔化进行焊接。焊接时用硼砂覆盖，待铜丝溶化后，铜液即可浸渗到合金的小孔内将金刚石颗粒之间及金刚石颗粒与硬质合金孔壁间完全焊接随后冷却即可。有条件时可在N₂气保护下焊接和冷却。

5、产品检验

产品冷却后要做外观，尺寸上的检查，合格后包装出厂。

本发明的优点：

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，分成两步，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壁，作为金刚石颗粒物的高强度，高刚度的支撑条件。能够对每颗金刚石颗粒，提供一种在三维方向上能获得一种完全稳定的高负荷(＞50000MPa)的，三维高强度(纯抗压负荷)的刚性支撑条件，使金刚石颗粒在受到强大的剪切和冲击力同时作用时，能充分发挥高切削速度和高耐磨及不脱落的特性。明显节省了金刚石粉的用量。

3、最大限度的利用发挥了廉价人造金刚石粉的使用价值，为人造金刚石粉开避了更广阔的应用前景。

4、所使用的技术及设备均为成熟技术，且投资少易操作，产品市场应用前景十分广阔，适合于中、小、微企业经营。

具体实施方式

实施例1，

制备100个，K42-5型示意样品，5孔金刚石夹心式矿山凿岩刀片，合金牌号为Y611C，不需与钢钎头钎焊。应按下列步骤完成。

1、制备多孔刀片毛坯：

a、按照实际使用的刀片外形及尺寸要求，将所有相关尺寸按20％放大系数，放大后设计出成型模具如附图2。其中所有尺寸应按下式计算：

L＝1.2×R 式中：L-模具线性尺寸(含小孔内径)；

R-烧结后刀片实际要求尺寸；

1.2-放大系数。

注：模具设计工作可委托专业单位进行。

b、混合料制备：

按照YG11C合金牌号对成分的要求配制15Kg合金混合料，先称量平均粒径d＝(20～30)μm的WC粉13.35kg，再称量平均粒径d＝(1.5～2.5)μm的钴粉1.65kg，倒入湿磨机内加入20升酒精，封盖后湿磨12小时，将浆料过320目，倒入桶中，沉淀24小时，吸出上层酒精；泥浆在烘箱内60～80℃烘干(反复、多次、搅拌、翻料)，烘干后在加胶机中，加入5％(质量)浓度的丁钠橡胶汽油溶液(溶剂为93号汽油)汽油橡胶溶液量按混合料粉重的2～3％(橡胶质量)加入。即：100g混合粉加50～60g胶液，不断搅拌，加完后，自然风干。(或50℃烘箱内烘干)过40目筛后，模压待用。

C、压制多孔压坯

在附图2所示成形模内，将混合料按每个刀片的粉重称量，并按下式计算粉重：

W＝V×d(g) 式中：W-每个刀片重量(g)；

V-每个刀片烧结后的体积(cm³)；

d＝14.3g/cm³-合金密度。

称重后，分别放入小容器中，加入到成形模内。

另按下式计算产品总压力：

P＝P₀×S 式中：P-总压力(吨)；

P₀-刀片需要的单位压制压力(此处P₀＝160～180MPa)；

S-刀片毛坯的正压面积(cm²)。

压制后，脱模，并检查毛坯表面是否有分层或掉块，裂纹等缺陷，然后静置4～8小时，或50～60℃烘干4小时转真空烧结。

2、真空烧结：

烘干后毛坯，整齐排放在石墨舟皿内、每层之间用石墨纸，隔开，注意小孔内不得进入沙粒，否则会影响小孔收缩。在真空炉内(5～10Pa)，1430～1450℃，1小时烧结后，冷却至室温出炉，检查产品表面及五孔的内径应为(φ1.60～1.66)mm。合格后转充填。

3、充填金刚石：

a、小孔清理；

用φ1.5mm的金刚石磨针，在高速(20000转/分)手钻上将每个刀片的五个小孔内表面打磨干净、光亮，然后用丙酮液将小孔冲洗干净、风干备用。

b、充填金刚石粉(见附图3)

用φ1.2mm直径的细钢钎，在压力下，将粒径＜0.2～0.5mm的人造金刚石粉，充填到刀片的五个小孔内，充填时可用小锤将金刚石粉打实。金刚石粉的充填高度为小孔高度的(1/2～2/3)(由实际使用高度确定)。在金刚石粉中事先按：

(金刚石粉+5％质量分数铜粉)∶PYA＝100∶0.3(质量比)

在100克金刚石粉中先加入320目的663铜粉5g，再加PVA(聚乙烯醇液)3％质量浓度的水溶液(10g)混合均匀后，将5孔刀片放在充打模具内，见附图3借助漏斗不断加入金刚石粉，不断用钢针冲打，直至(1/2～2/3)小孔高度，转烘箱60～80℃，1小时烘干备用。

4、高频焊接

a、插入铜丝焊料(见附图4)

将装有金刚石粉的凿岩刀片，放入高频焊接机的石墨模4-3及陶瓷架4-5内，在每个刀片的小孔内，放入直径φ1.5mm的663铜丝，其高度稍高于小孔边缘2mm，用硼砂将刀片上部覆盖。

b、焊接

开动高频电源将刀片外的石墨模加热，直至铜丝融化后保温2分钟，金属铜液很快浸渗到合金刀片的小孔内，将金刚石颗粒之间及金刚石颗粒与硬质合金小孔壁间完全焊接，冷却后即完成全制备工艺。

5、产品检查

对产品外观，尺寸上进行测量合格后包装出厂。

实施例2

制备100个，K42-4型示意样品，4孔金刚石夹心式矿山凿岩刀片，合金牌号为YG11C，不需与钢钎头钎焊。

应按下列步骤完成。

1、制备多孔刀片毛坯：

以下与实施例1、a；1、b；1、c；基本相同，不同处在于将混合粉压制成有4个直径为Φ2mm的，纵向贯通的多孔毛坯。

2、真空烧结：

与实施例1中2、基本相同，不同处是检查四孔的内径应为(φ1.60～1.66)mm。合格后转充填工序。

3、充填金刚石：

与实施例1中3、基本相同，不同处是将4孔刀片放在充打模具内，见附图3借助漏斗不断加入金刚石粉，不断用钢针冲打，直至(1/2～2/3)小孔高度，转烘箱60～80℃，1小时烘干备用。

4、高频焊接与实施例1、4完全相同。

5、产品检查与实施例1、5完全相同。

Claims

1.一种金刚石夹心式硬质合金矿山凿岩钻头刀片的制备技术，其特征在于提供了用人造金刚石夹心技术，在常规硬质合金矿山刀片工作截面上的小孔内，均匀地深段的高压机械嵌镶人造金刚石颗粒，并经高温钎焊、加固、制备成一种钻进速度和耐磨性能极佳的新型硬质合金矿山刀片。

2.根据权利要求1所述，人造金刚石夹心技术是在常规硬质合金刀片生产中事先压制，烧结出φ＝1～2mm的4～6个通孔，使用的合金粉成分为YG11C牌号，即WC粉重89％(质量)钴粉重11％(质量)，WC粉粒径≥20～30μmm，钴粉粒径＝1.5～2.5μm，并严格按YG11C合金生产工艺生产。在要求钻头刀片的使用性能更高的情况下，还可使用超细晶粒(YG10)成分的合金，即WC粉重90％(质量)，钴粉重10％(质量)，WC粉粒径≤100nm，钴粉粒径≤100nm并按超细晶生产工艺生产多孔合金刀片。

3.根据权利要求1所述，人造金刚石夹心技术中，所采用的刚性的硬质合金小孔内支撑结构以及采用高压机械嵌入法，将强度最高的粒径为0.2～0.5(mm)JR型人造金刚石粉末，，在硬质合金小孔内用小锤和钢针，冲打压实，以保证金刚石颗粒之间有直接的刚性接触，上述工艺及相关参数均应加以保护。

4.根据权利要求1、2所述，在人造金刚石夹心技术中所采用的人造金刚石颗粒还可采用人造金刚石聚晶颗粒，其直径为d₀＝(1.5～3)mm，此时合金刀片中烧结后的小孔内径d₀＝(1.5～3)+0.15mm，这种间隙可保证焊接后，仍能获得合金小孔壁的刚性支撑条件。

5.根据权利要求1、2、3、4所述机械嵌入的金刚石颗粒还需用663铜焊料，经高温熔化硼砂保护将金刚石颗粒间，金刚石颗粒与硬质合金小孔壁之间，焊接加固。这一工艺及相关参数也应加以保护。