CN103614604B - 用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金，其特征在于：包括重量份数的以下组分：硬质相WC85-92份，粘接相Co7.8-15份，添加剂TaC0.5-1份，其中硬质相WC为费氏粒度为7-12μm以及0.6-2.5μm的WC的混合物，所述7-12μm的WC与0.6-2.5μm的WC的质量比为1-3:10。本发明还公开了该种硬质合金的制备方法。本发明新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金使得相比传统硬质合金物理性能显著提高，可使得该硬质合金中WC的平均晶粒度控制在0.8-12μm，硬质合金的硬度HRA达：91.7-92.5.硬质合金的抗弯强度MPa：≥3000MPa。本发明的合金具有高的硬度与抗弯强度，并且具有良好的抗磨损性能，是用作较硬岩层旋转钻进切削钻头的理想合金材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金及其制备方法，特别涉及一种用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金综合了碳化物的高硬度、高耐磨性和金属粘结相足够的韧性和抗热震性能及高抗形变能力，被广泛用于现代快速采矿领域。目前国内外在采矿钻进领域所采用的材质一般为质量百分比约85-92%的WC粉末，粒度为5.0-7.9μm的WC粉和质量百分比为12%及以上Co粉，粒度为2.0-2.4μm，显微组织图见图1。经湿磨、干燥、掺胶、压制成型和烧结，最终得到成品。用此方法制得的硬质合金硬度较低，HRA：85-89，耐磨性较差，并且抗弯强度也比较低，在1850-2100MPa，抗扭折能力也较差，在钻削较硬岩层时钻具不耐磨、易折断、使用效率低等特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种硬度高、强度高、使用寿命长的用于制作采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金，本发明还提供了该种合金的制备方法。
本发明的技术方案如下：一种用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金，其特征在于：包括重量份数的以下组分：硬质相WC85-92份，粘接相Co7.8-15份，添加剂TaC0.5-1份，其中硬质相WC为费氏粒度为7-12μm以及0.6-2.5μm的WC的混合物，所述7-12μm的WC与0.6-2.5μm的WC的质量比为1-3:10。
作为优选：所述粘接相Co的费氏粒度为2.0-2.40μm。
作为优选：所述添加剂TaC的费氏粒度为2.0-2.4μm。
采用上述技术方案，由于选用了非均匀性WC粒度制备的新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金，粗晶粒WC可以阻断晶间裂纹的扩展，具有高的抗冲击能力，而超细WC的特性是不仅具有很高的硬度，而且具有很高的抗弯强度。影响硬质合金力学性能最主要的因素是合金的空隙率，粗晶粒硬质合金产品由于晶粒尺寸大，晶粒间有效接触面较小，需要大量的液相Co来填充晶粒间的空隙，而采用粗晶和超细颗粒的碳化钨混合，细颗粒的碳化钨可有效增加晶粒的接触面，从而降低合金的空隙，最终提升合金的力学性能。因此非均匀性WC粒度的新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金具备了良好的抗冲击能力、高的硬度、高抗弯强度和优良的致密性。而加入TaC的原因有三：1：在钨钴合金中固溶于钴相中的TaC原子，倾向于在WC/WC晶界偏聚，阻止WC晶粒长大。2：TaC使WC-Co二相区扩大，调宽了合金碳含量，不易造成合金缺碳而防止WC晶粒个别长大。3：TaC的加入使WC晶粒、钴相平均厚度、WC晶粒邻接度（Cwc/Cwc）都减小。由于固溶钴相中的TaC在WC/WC晶界偏聚，使晶界强度受损，故合金破裂时先从WC/WC晶界开始，其次是TaC/WC固溶体的穿晶断裂，最后才是WC晶体的穿晶断裂。因此增加TaC的合金具有独特的抗热冲击性。
本发明的关键点在于控制TaC加入量和控制粗晶WC和细晶WC之间的质量比例两个方面。本发明试验方案证明，当加入本发明的TaC的量时，硬质合金具有最优物理力学性能。当粗晶WC和细晶WC之间的质量比例在1-3:10之间时，硬质合金具有最优物理力学性能。该新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金相比传统硬质合金物理性能显著提高。
将制得的旋转钻进切削钻头硬质合金进行性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，从而得到抗弯强度为：≥3000MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的洛氏硬度，从而得到洛氏硬度HRA为：91.7-92.5；根据GB3488-83标准检测硬质合金的显微组织，从而得到硬质合金的晶粒度为：0.8-12μm，显微金相组织见图2和3。
本发明的另一目的是这样实现的：一种用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金的制备方法，按照如下步骤完成：
（1）湿磨：将WC、Co、TaC按比例权利要求1的比例加入球磨桶，同时加入PEG4000和工业酒精，所述PEG4000的量为WC、Co、TaC的总质量的1%-3%，工业酒精的量按照270～330ml/kg加入，湿磨48-96小时；
（2）干燥：将湿磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度85-95℃，真空度控制在3x102Pa；
（3）制粒：干燥后的粉料过40目筛网，在滚筒制粒机中制粒后过30目筛网待用；
（4）压制：将步骤（3）得到的粉料在单柱液压机上压制成6.3×7.8×24mm3的B型条；
（5）烧结：将步骤（4）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结、快冷，并将该B型条取出，从而制得旋转钻进切削钻头硬质合金。
作为优选：步骤（5）中烧结过程分为五个烧结阶段，第一次脱PEG阶段：温度从室温升至360℃，升温速率控制在4℃/min,保温时间为1.5h；第二次脱PEG阶段：温度从360℃升至600℃，升温速率控制在3℃/min,保温时间为3h；第三阶段为固相烧结阶段：温度从600℃升至1230℃，升温速率控制在6℃/min,保温时间为1.5h；第四阶段为烧结阶段：温度从1230℃升温至1430℃，升温速率控制在2℃/min，保温时间为1.5h；第五阶段为快冷阶段：快冷从1430℃快速冷却至室温，快冷时间小于等于5h。
有益效果：本发明新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金使得相比传统硬质合金物理性能显著提高，可使得该硬质合金中WC的平均晶粒度控制在0.8-12μm，硬质合金的硬度HRA达：91.7-92.5.硬质合金的抗弯强度MPa：≥3000MPa。本发明的合金具有高的硬度与抗弯强度，并且具有良好的抗磨损性能，是用作较硬岩层旋转钻进切削钻头的理想合金材料。
附图说明
图1为现有硬质合金的微观结构组织图；
图2为本发明实施例1的硬质合金的微观结构组织图；
图3为本发明实施例2的硬质合金的微观机构组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1：该合金采用选用费氏粒度为7-12μm的WC和费氏粒度为0.6-2.5μm的WC粉末88份作为硬质相，粗晶WC和细晶WC之间的质量比例在1.2:10，Co粉8份作为粘结相，钴粉的费氏粒度为2.0-2.40μm，添加剂的加入量为TaC:0.5份，添加剂TaC的费氏粒度为2.0-2.4μm。上述新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金采用如下步骤制得：
（1）湿磨：将WC、Co、TaC、PEG4000按比例加入球磨桶，其中PEG4000的质量为WC、Co和TaC总质量的1%，同时按270ml/kg加入纯度95%的工业酒精作为湿磨介质，湿磨48小时，在湿磨的为了使得湿磨效果好，可加入Φ6-Φ12硬质合金球。
（2）干燥：将湿磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度85-95℃，真空度控制在3X102Pa。
（3）制粒：干燥后的粉料过40目筛网，在滚筒制粒机中制粒后过30目筛网待用。
（4）压制：将步骤（3）得到的粉料在单柱液压机上压制成6.3×7.8×24mm3的B型条；
（5）烧结：将步骤（4）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结；烧结过程分为五个烧结阶段，第一次脱PEG阶段：温度从室温升至360℃，升温速率控制在4℃/min,保温时间为1.5h；第二次脱PEG阶段：温度从360℃升至600℃，升温速率控制在3℃/min,保温时间为3h；第三阶段为固相烧结阶段：温度从600℃升至1230℃，升温速率控制在6℃/min,保温时间为1.5h；第四阶段为烧结阶段：温度从1230℃升温至1430℃，升温速率控制在2℃/min，保温时间为1.5h；第五阶段为快冷阶段：快冷从1430℃快速冷却至室温，快冷时间小于等于5h。并将该B型条取出，从而制得高硬度高耐磨性硬质合金。
将制得的高硬度高耐磨性硬质合金进行性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，从而得到抗弯强度为：≥3000MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的洛氏硬度，从而得到洛氏硬度HRA为：92.5；根据GB3488-83标准检测硬质合金的显微组织，从而得到硬质合金的晶粒度为：0.8-12μm如图2所示。
实施例2：
该合金采用选用费氏粒度为7-12μm的WC和费氏粒度为0.6-2.5μm的WC粉末92份作为硬质相，粗晶WC和细晶WC之间的质量比例在1.2:10，Co粉7.8份作为粘结相，钴粉的费氏粒度为2.0-2.40μm，添加剂的加入量为TaC:1份，添加剂TaC的费氏粒度为2.0-2.4μm。
上述新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金采用如下步骤制得：
（1）湿磨：将WC、Co、TaC、PEG4000按比例加入球磨桶，其中PEG4000的质量为WC、Co和TaC总质量的3%，同时按320ml/kg加入纯度95%的工业酒精作为湿磨介质，湿磨96小时，在湿磨的为了使得湿磨效果好，可加入Φ6-Φ12硬质合金球。
（2）干燥：将湿磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度85-95℃，真空度控制在3X102Pa。
（3）制粒：干燥后的粉料过40目筛网，在滚筒制粒机中制粒后过30目筛网待用。
（4）压制：将步骤（3）得到的粉料在单柱液压机上压制成6.3×7.8×24mm3的B型条；
（5）烧结：将步骤（4）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结；烧结过程分为五个烧结阶段，第一次脱PEG阶段：温度从室温升至360℃，升温速率控制在4℃/min,保温时间为1.5h；第二次脱PEG阶段：温度从360℃升至600℃，升温速率控制在3℃/min,保温时间为3h；第三阶段为固相烧结阶段：温度从600℃升至1230℃，升温速率控制在6℃/min,保温时间为1.5h；第四阶段为烧结阶段：温度从1230℃升温至1430℃，升温速率控制在2℃/min，保温时间为1.5h；第五阶段为快冷阶段：快冷从1430℃快速冷却至室温，快冷时间小于等于5h。并将该B型条取出，从而制得高硬度高耐磨性硬质合金。
将制得的高硬度高耐磨性硬质合金进行性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，从而得到抗弯强度为：≥3000MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的洛氏硬度，从而得到洛氏硬度HRA为：92.5；根据GB3488-83标准检测硬质合金的显微组织，从而得到硬质合金的晶粒度为：0.8-12μm如图3所示。
实施例3：
该合金采用选用费氏粒度为7-12μm的WC和费氏粒度为0.6-2.5μm的WC粉末90份作为硬质相，粗晶WC和细晶WC之间的质量比例在1:10，Co粉15份作为粘结相，钴粉的费氏粒度为2.0-2.40μm，添加剂的加入量为TaC:0.6份，添加剂TaC的费氏粒度为2.0-2.4μm。
上述新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金采用如下步骤制得：
（1）湿磨：将WC、Co、TaC、PEG4000按比例加入球磨桶，其中PEG4000的质量为WC、Co和TaC总质量的2%，同时按280ml/kg加入纯度95%的工业酒精作为湿磨介质，湿磨90小时，在湿磨的为了使得湿磨效果好，可加入Φ6-Φ12硬质合金球。
（2）干燥：将湿磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度85-95℃，真空度控制在3X102Pa。
（3）制粒：干燥后的粉料过40目筛网，在滚筒制粒机中制粒后过30目筛网待用。
（4）压制：将步骤（3）得到的粉料在单柱液压机上压制成6.3×7.8×24mm3的B型条；
（5）烧结：将步骤（4）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结；烧结过程分为五个烧结阶段，第一次脱PEG阶段：温度从室温升至360℃，升温速率控制在4℃/min,保温时间为1.5h；第二次脱PEG阶段：温度从360℃升至600℃，升温速率控制在3℃/min,保温时间为3h；第三阶段为固相烧结阶段：温度从600℃升至1230℃，升温速率控制在6℃/min,保温时间为1.5h；第四阶段为烧结阶段：温度从1230℃升温至1430℃，升温速率控制在2℃/min，保温时间为1.5h；第五阶段为快冷阶段：快冷从1430℃快速冷却至室温，快冷时间小于等于5h。并将该B型条取出，从而制得高硬度高耐磨性硬质合金。
将制得的高硬度高耐磨性硬质合金进行性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，从而得到抗弯强度为：≥3000MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的洛氏硬度，从而得到洛氏硬度HRA为：91.7；根据GB3488-83标准检测硬质合金的显微组织，从而得到硬质合金的晶粒度为：0.8-12μm。
实施例3：
该合金采用选用费氏粒度为7-12μm的WC和费氏粒度为0.6-2.5μm的WC粉末91份作为硬质相，粗晶WC和细晶WC之间的质量比例在3:10，Co粉9份作为粘结相，钴粉的费氏粒度为2.0-2.40μm，添加剂的加入量为TaC:0.5份，添加剂TaC的费氏粒度为2.0-2.4μm。
上述新结构的旋转钻进切削钻头硬质合金采用如下步骤制得：
（1）湿磨：将WC、Co、TaC、PEG4000按比例加入球磨桶，其中PEG4000的质量为WC、Co和TaC总质量的2%，同时按280ml/kg加入纯度95%的工业酒精作为湿磨介质，湿磨60小时，在湿磨的为了使得湿磨效果好，可加入Φ6-Φ12硬质合金球。
（2）干燥：将湿磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度85-95℃，真空度控制在3X102Pa。
（3）制粒：干燥后的粉料过40目筛网，在滚筒制粒机中制粒后过30目筛网待用。
（4）压制：将步骤（3）得到的粉料在单柱液压机上压制成6.3×7.8×24mm3的B型条；
（5）烧结：将步骤（4）所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结；烧结过程分为五个烧结阶段，第一次脱PEG阶段：温度从室温升至360℃，升温速率控制在4℃/min,保温时间为1.5h；第二次脱PEG阶段：温度从360℃升至600℃，升温速率控制在3℃/min,保温时间为3h；第三阶段为固相烧结阶段：温度从600℃升至1230℃，升温速率控制在6℃/min,保温时间为1.5h；第四阶段为烧结阶段：温度从1230℃升温至1430℃，升温速率控制在2℃/min，保温时间为1.5h；第五阶段为快冷阶段：快冷从1430℃快速冷却至室温，快冷时间小于等于5h。并将该B型条取出，从而制得高硬度高耐磨性硬质合金。
将制得的高硬度高耐磨性硬质合金进行性能测试，根据GB3851-83测试硬质合金的抗弯强度，从而得到抗弯强度为：≥3000MPa；根据GB7887-87测试硬质合金的洛氏硬度，从而得到洛氏硬度HRA为：92；根据GB3488-83标准检测硬质合金的显微组织，从而得到硬质合金的晶粒度为：0.8-12μm。
Claims (4)
1.一种用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金，其特征在于：由重量份数的以下组分组成：硬质相WC85-92份，粘接相Co7.8-15份，添加剂TaC0.5-1份，其中硬质相WC为费氏粒度为7-12μm以及0.6-2.5μm的WC的混合物，所述7-12μm的WC与0.6-2.5μm的WC的质量比为1-3:10，该硬质合金中WC的平均晶粒度控制在0.8-12μm，硬质合金的硬度HRA达：91.7-92.5，硬质合金的抗弯曲强度MPa：≥3000MPa。
2.根据权利要求1所述用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金，其特征在于：所述粘接相Co的费氏粒度为2.0-2.40μm。
3.根据权利要求1所述用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金，其特征在于：所述添加剂TaC的费氏粒度为2.0-2.4μm。
4.一种用于采矿用旋转钻进切削钻头的硬质合金的制备方法，按照如下步骤完成：
(1)湿磨：将WC、Co、TaC按权利要求1的比例加入球磨桶，同时加入PEG4000和工业酒精，所述PEG4000的量为WC、Co、TaC的总质量的1％-3％，工业酒精的量按照270～330ml/kg加入，湿磨48-96小时；
(2)干燥：将湿磨后的湿料过320目筛网过滤，并在真空干燥箱中干燥，干燥温度85-95℃，真空度控制在3x102Pa；
(3)制粒：干燥后的粉料过40目筛网，在滚筒制粒机中制粒后过30目筛网待用；
(4)压制：将步骤(3)得到的粉料在单柱液压机上压制成6.3×7.8×24mm3的B型条；
(5)烧结：将步骤(4)所得的B型条放置于真空烧结一体炉中烧结、快冷，并将该B型条取出，从而制得旋转钻进切削钻头硬质合金；
烧结过程分为五个烧结阶段，第一次脱PEG阶段：温度从室温升至360℃，升温速率控制在4℃/min,保温时间为1.5h；第二次脱PEG阶段：温度从360℃升至600℃，升温速率控制在3℃/min,保温时间为3h；第三阶段为固相烧结阶段：温度从600℃升至1230℃，升温速率控制在6℃/min,保温时间为1.5h；第四阶段为烧结阶段：温度从1230℃升温至1430℃，升温速率控制在2℃/min，保温时间为1.5h；第五阶段为快冷阶段：快冷从1430℃快速冷却至室温，快冷时间小于等于5h。
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