CN106756394A - 超耐磨高硬度硬质合金钻具材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料及其制备方法，其中，包括以下步骤：a、取原生WC粉、原生球型Co粉、TaC和Cr3C2通过球磨介质进行研磨84 h‑96 h后得到料浆，其中WC粉的平均费氏粒度为0.5μm‑0.6μm、质量占比为95.7%‑94.7%，原生球型Co粉的平均费氏粒度≤1.0μm、质量占比为3.5%‑4.5%，TaC的质量占比为0.3%‑0.5%，所述Cr3C2的质量占比为0.2%‑0.3%，所述球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇，或者所述球磨介质为硬质合金棒球与120号航空汽油；b、使经历步骤a后的料浆途经不锈钢筛网进入不锈钢容器内；c、待料浆在所述不锈钢容器内静置24小时后，且所述球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇的情况下，将料浆上层的无水乙醇取出；d、将经历步骤c后的料浆加入真空干燥器内干燥。
Description
技术领域
本发明涉及硬质合金钻具材料及其制备方法，具体地，涉及一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料以及该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法。
背景技术
钻具是工业生产中应用最为广泛的一种工具，它主要用于在工件上钻孔，例如作为电钻的钻头，或者用于在煤矿开采、石油开采过程中凿洞，例如深井钻具，石油钻具等等。其中，硬质合金钻具因其优良的性能而受到广泛地应用，它不仅能够适应各种复杂材质的钻孔，也可以匹配较高的切削速度，而且硬质合金钻具还具备较好的耐磨性。
然而，随着现代工业的发展，人们对于硬质合金钻具的性能提出了更高的要求，目前传统的硬质合金钻具难以满足更高的硬度要求和耐磨性要求，鉴于此，如何开发出性能更为优良，尤其是耐磨性好以及硬度高的硬质合金钻具，已成为钻具制造行业重点研究的课题。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，该制备方法制造出的硬质合金钻具材料具备优良的耐磨性、超高的硬度和抗弯强度。
本发明的第二个目的是提供一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料通过本发明提供的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法制得。
为实现上述第一个目的，本发明提供一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：a、取原生WC粉、原生球型Co粉、TaC和Cr3C2通过球磨介质进行研磨84 h-96 h后得到料浆，其中所述WC粉的平均费氏粒度为0.5μm-0.6μm、质量占比为95.7%-94.7%，所述原生球型Co粉的平均费氏粒度≤1.0μm、质量占比为3.5%-4.5%，所述TaC的质量占比为0.3%-0.5%，所述Cr3C2的质量占比为0.2%-0.3%，所述球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇，或者所述球磨介质为硬质合金棒球与120号航空汽油；b、使经历步骤a后的料浆途经不锈钢筛网进入不锈钢容器内；c、待料浆在所述不锈钢容器内静置24小时后，且所述球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇的情况下，将料浆上层的无水乙醇取出；d、将经历步骤c后的料浆加入真空干燥器内干燥；e、待料浆干燥完毕，对料浆进行冷却；f、待料浆中心温度低于20℃时，使料浆途经不锈钢筛网，得到混合干燥料；g、将所述混合干燥料放入混合器内，加入成型剂与所述混合干燥料混合并搅拌混合干燥料，搅拌2min-3 min后卸出搅拌后得到的料团，其中所述成型剂与所述混合干燥料的配比为每千克混合干燥料配80ml-100ml的成型剂；h、使步骤g得到的料团途经不锈钢筛网后变成混合粉末；i、将所述混合粉末装入不锈钢容器内并将不锈钢容器放入干燥柜中干燥15min-30min后取出混合粉末；j、将经过步骤i的混合粉末装入双层塑料袋后，将装有混合粉末的双层塑料袋放入桶内，并在双层塑料袋中充入惰性气体后封闭双层塑料袋，或者将经过步骤i的混合粉末装入不锈钢容器，并在装有混合粉末的不锈钢容器中充入惰性气体后封闭不锈钢容器；k、取出经历步骤j的混合粉末压制，得到压坯；l、将所述压坯放入真空烧结炉中烧结得到一次烧结制品，控制烧结温度为1400℃-1420℃；m、将所述一次烧结制品放入低压烧结炉内加压烧结得到二次烧结制品，该二次烧结制品为超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，其中，低压烧结炉内的加压压力为3 mpa-5 mpa。
优选地，在所述步骤a中，所述硬质合金棒球包括多种尺寸的硬质合金棒球，其中外径为5.5 mm且高度为14.5 mm的硬质合金棒球占15%、外径为7.3 mm且高度为15.6 mm的硬质合金棒球占16%、外径为8.5 mm且高度为16.3 mm的硬质合金棒球占33%、外径为9.5 mm且高度为16.7 mm的硬质合金棒球占33%、外径为10.5 mm且高度为17 mm的硬质合金棒球占3%。
优选地，在所述步骤b中的不锈钢筛网为双层400目不锈钢筛网。
优选地，所述步骤f中的不锈钢筛网为100目-200目不锈钢筛网。
优选地，在所述步骤g中，所述成型剂为VBP、橡胶溶液或石蜡。
优选地，所述步骤h中的不锈钢筛网为80目-100目不锈钢筛网。
优选地，所述步骤i中的干燥柜为蒸汽干燥柜。
优选地，所述步骤j中的惰性气体为氩气或氮气。
优选地，所述制备方法还包括在所述步骤m中，对得到的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料进行试样检测的步骤。
为实现上述第二个目的，本发明还提供一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，其中，所述超耐磨高硬度硬质合金钻具材料由上述超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法制得。
本发明相对于现有技术，具有如下优点之处：
（1）采用平均费氏粒度为0.5μm-0.6μm的原生WC粉，这种费氏粒度0.6μm以下的WC是这种材料的硬质相，这种WC在同等质量百分占比的情况下可以提高洛氏硬度0.5HRA-1.0HRA。
（2）采用TaC，TaC的主要作用是在硬质合金烧结过程中让金相组织更加均匀，从而使本发明提供的制备方法制得的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料在使用过程中的质量更加稳定，其次TaC还能够提高该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的红硬性能，也就是使该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料在高温环境下的使用性能更加稳定，由于钻具在钻孔时会升温，所以增强钻具材料在高温环境下的使用性能是非常有必要的。
（3）采用Cr3C2，Cr3C2的主要作用是抑制晶粒长粗，由于在硬质合金的烧结过程中，通常温度达到1340℃以上时，WC的晶粒会随着温度的上升和时间的延长而长大，WC的晶粒一旦长大，就会减小该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的最终硬度，所以本发明采用Cr3C2是恰恰能够防止晶粒长大以避免该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的最终硬度减小。
（4）球磨时间达到84小时以上，这一方面能够让WC原始粒度充分细化，另一方面可以让四种金属粉末（WC、Co、TaC和Cr3C2）充分研磨均匀，使合金结构更加稳定。
基于上述四点，本发明提供的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法制得的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的结构稳定性、硬度都能得到很大提高，随之其耐磨性和抗弯强度也会提高。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的金相图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
根据本发明的一个方面，提供一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其中，该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法包括以下步骤：
a、取原生WC（碳化钨）粉、原生球型Co（钴）粉、TaC（碳化钽）和Cr3C2（碳化铬）通过球磨介质进行研磨84 h-96 h后得到料浆，其中WC粉的平均费氏粒度为0.5μm-0.6μm、质量占比为95.7%-94.7%，原生球型Co粉的平均费氏粒度≤1.0μm、质量占比为3.5%-4.5%，TaC的质量占比为0.3%-0.5%，Cr3C2的质量占比为0.2%-0.3%，球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇，或者球磨介质为硬质合金棒球与120号航空汽油，具体地，硬质合金棒球可以包括多种尺寸的硬质合金棒球，其中外径为5.5 mm且高度为14.5 mm的硬质合金棒球占15%、外径为7.3mm且高度为15.6 mm的硬质合金棒球占16%、外径为8.5 mm且高度为16.3 mm的硬质合金棒球占33%、外径为9.5 mm且高度为16.7 mm的硬质合金棒球占33%、外径为10.5 mm且高度为17 mm的硬质合金棒球占3%；
b、使经历步骤a后的料浆途经双层400目不锈钢筛网进入不锈钢容器内；
c、待料浆在不锈钢容器内静置24小时后，且球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇的情况下，将料浆上层的无水乙醇取出；
d、将经历步骤c后的料浆加入真空干燥器内干燥；
e、待料浆干燥完毕，对料浆进行冷却；
f、待料浆中心温度低于20℃时，使料浆途经100目-200目不锈钢筛网，得到混合干燥料；
g、将混合干燥料放入混合器内，加入成型剂（例如VBP、橡胶溶液或石蜡，其中VBP是一种硬质合金专用成型剂）与混合干燥料混合并搅拌混合干燥料，搅拌2 min-3 min（搅拌均匀）后卸出搅拌后得到的料团，其中成型剂与混合干燥料的配比为每千克混合干燥料配80ml-100ml的成型剂；
h、使步骤g得到的料团途经80目-100目不锈钢筛网后变成混合粉末；
i、将混合粉末装入不锈钢容器内并将不锈钢容器放入干燥柜中干燥15min-30min后取出混合粉末，这里的的干燥柜可以是蒸汽干燥柜或其它合适的干燥柜；
j、将经过步骤i的混合粉末装入双层塑料袋后，将装有混合粉末的双层塑料袋放入桶内，并在双层塑料袋中充入惰性气体（例如氩气或氮气或其他各种合适的惰性气体）后封闭双层塑料袋，或者将经过步骤i的混合粉末装入不锈钢容器，并在装有混合粉末的不锈钢容器中充入惰性气体后封闭不锈钢容器；
k、取出经历步骤j的混合粉末压制，得到压坯；
l、将压坯放入真空烧结炉中烧结得到一次烧结制品，控制烧结温度为1400℃-1420℃；
m、将一次烧结制品放入低压烧结炉内加压烧结得到二次烧结制品，该二次烧结制品为超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，其中，低压烧结炉内的加压压力为3 mpa-5 mpa。
根据本发明的优选实施方式，该制备方法还包括在步骤m中，对得到的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料进行试样检测的步骤，以便检测出合格的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料。
如上所述，采用平均费氏粒度为0.5μm-0.6μm的原生WC粉，这种费氏粒度0.6μm以下的WC是这种材料的硬质相，这种WC在同等质量百分占比的情况下可以提高洛氏硬度0.5HRA-1.0HRA。采用TaC，TaC的主要作用是在硬质合金烧结过程中让金相组织更加均匀，从而使本发明提供的制备方法制得的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料在使用过程中的质量更加稳定，其次TaC还能够提高该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的红硬性能，也就是使该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料在高温环境下的使用性能更加稳定，由于钻具在钻孔时会升温，所以增强钻具材料在高温环境下的使用性能是非常有必要的。采用Cr3C2，Cr3C2的主要作用是抑制晶粒长粗，由于在硬质合金的烧结过程中，通常温度达到1340℃以上时，WC的晶粒会随着温度的上升和时间的延长而长大，WC的晶粒一旦长大，就会减小该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的最终硬度，所以本发明采用Cr3C2是恰恰能够防止晶粒长大以避免该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的最终硬度减小。选择不同尺寸的硬质合金棒球提高了球磨效率，球磨时间达到84小时以上，这一方面能够让WC原始粒度充分细化，另一方面可以让四种金属粉末（WC、Co、TaC和Cr3C2）充分研磨均匀，使合金结构更加稳定。综上可知，本发明提供的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法制得的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的结构稳定性、硬度都能得到很大提高，随之其耐磨性和抗弯强度也会提高。经过测试，该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的抗弯强度可以达到2350千牛/平方毫米以上，洛氏硬度≥94HRA。
根据本发明的另一个方面，提供一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，其中，该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料由上述超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法制得。下表1是该超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的产品检测质量证明书。
表1：
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a、取原生WC粉、原生球型Co粉、TaC和Cr3C2通过球磨介质进行研磨84 h-96 h后得到料浆，其中所述WC粉的平均费氏粒度为0.5μm-0.6μm、质量占比为95.7%-94.7%，所述原生球型Co粉的平均费氏粒度≤1.0μm、质量占比为3.5%-4.5%，所述TaC的质量占比为0.3%-0.5%，所述Cr3C2的质量占比为0.2%-0.3%，所述球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇，或者所述球磨介质为硬质合金棒球与120号航空汽油；
b、使经历步骤a后的料浆途经不锈钢筛网进入不锈钢容器内；
c、待料浆在所述不锈钢容器内静置24小时后，且所述球磨介质为硬质合金棒球与无水乙醇的情况下，将料浆上层的无水乙醇取出；
d、将经历步骤c后的料浆加入真空干燥器内干燥；
e、待料浆干燥完毕，对料浆进行冷却；
f、待料浆中心温度低于20℃时，使料浆途经不锈钢筛网，得到混合干燥料；
g、将所述混合干燥料放入混合器内，加入成型剂与所述混合干燥料混合并搅拌混合干燥料，搅拌2 min-3 min后卸出搅拌后得到的料团，其中所述成型剂与所述混合干燥料的配比为每千克混合干燥料配80ml-100ml的成型剂；
h、使步骤g得到的料团途经不锈钢筛网后变成混合粉末；
i、将所述混合粉末装入不锈钢容器内并将不锈钢容器放入干燥柜中干燥15min-30min后取出混合粉末；
j、将经过步骤i的混合粉末装入双层塑料袋后，将装有混合粉末的双层塑料袋放入桶内，并在双层塑料袋中充入惰性气体后封闭双层塑料袋，或者将经过步骤i的混合粉末装入不锈钢容器，并在装有混合粉末的不锈钢容器中充入惰性气体后封闭不锈钢容器；
k、取出经历步骤j的混合粉末压制，得到压坯；
l、将所述压坯放入真空烧结炉中烧结得到一次烧结制品，控制烧结温度为1400℃-1420℃；
m、将所述一次烧结制品放入低压烧结炉内加压烧结得到二次烧结制品，该二次烧结制品为超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，其中，低压烧结炉内的加压压力为3 mpa-5 mpa。
2.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述硬质合金棒球包括多种尺寸的硬质合金棒球，其中外径为5.5 mm且高度为14.5 mm的硬质合金棒球占15%、外径为7.3 mm且高度为15.6mm的硬质合金棒球占16%、外径为8.5 mm且高度为16.3 mm的硬质合金棒球占33%、外径为9.5 mm且高度为16.7 mm的硬质合金棒球占33%、外径为10.5 mm且高度为17 mm的硬质合金棒球占3%。
3.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤b中的不锈钢筛网为双层400目不锈钢筛网。
4.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，所述步骤f中的不锈钢筛网为100目-200目不锈钢筛网。
5.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤g中，所述成型剂为VBP、橡胶溶液或石蜡。
6.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，所述步骤h中的不锈钢筛网为80目-100目不锈钢筛网。
7.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，所述步骤i中的干燥柜为蒸汽干燥柜。
8.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，所述步骤j中的惰性气体为氩气或氮气。
9.根据权利要求1所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述步骤m中，对得到的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料进行试样检测的步骤。
10.一种超耐磨高硬度硬质合金钻具材料，其特征在于，所述超耐磨高硬度硬质合金钻具材料由权利要求1至9中任意一项所述的超耐磨高硬度硬质合金钻具材料的制备方法制得。
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