CN106868374B - 一种硬质合金复合材料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硬质合金复合材料，包括：碳化钨，钴，镍，磷和表面包覆钨层的金刚石粉末。本发明在所述硬质合金复合材料中添加了磷和镍，以及表面包覆钨层的金刚石粉末，大大降低了硬质合金的液相共晶温度和烧结温度，实现了硬质合金材料的低温烧结，而较低的烧结温度很好地避免了金刚石的碳化，有效的保留其耐磨性能，进而大大提高了材料的耐磨性。实验结果表明，本发明提供的硬质合金复合材料的液相共晶温度点为850℃～950℃，烧结温度为1050℃～1200℃。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种硬质合金复合材料、其制备方法及应用。
背景技术
现代工业生产中，许多工程机械、设备及构件所处的工作条件十分恶劣，如高温、高速、强烈冲击、高酸碱等，磨损与腐蚀造成的机械零部件损伤不断加大。采用普通材料已经难以满足恶劣工作环境对材料性能的特殊要求。而采用性能较好的硬质合金材料，由于其是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的，烧结温度一般为1400～1450℃，对设备性能要求高，同时高的能耗造成高的成本，因此存在着制作难度大、生产成本高等一系列问题，特别是大型工件更为突出。
目前一般是在机械零部件表面复合硬面材料层或合金复合材料，解决上述问题。其中，硬面材料是用于强化工件表面的粉末或块状材料，使工件表面的硬度提高，耐磨耐蚀性增强。对于一些极端恶劣工况或者一些需要超高耐磨耐腐等性能的零部件而言，例如钻井工具中的TC轴承(又称硬质合金径向轴承)、稳定器(又称扶正器)等部件，将对其硬面材料的机械性能提出更高的要求。
TC轴承或稳定器等部件的硬面层中除了使用粉体硬面材料外，还使用了硬质合金块(或片)，用以加强其耐磨损、耐腐蚀及抗冲击韧性。因此硬面层中的硬质合金块(或片)的性能也将影响着TC轴承或稳定器等待焊工件的使用寿命以及机械性能。
现有技术中，所述硬质合金块(或片)一般是由碳化钨、钴两种材料组成，其烧结温度需要达到1400～1450℃，对设备性能要求高，需较高的能耗，进而增加了成本投入。
还有在所述硬质合金块(或片)中添加金刚石粉末的技术方案，现有的金刚石粉末-WC-Co复合材料有三种：一种是在WC-Co硬质合金基底上采用高温高压的方法将金刚石粉末压制在WC-Co硬质合金上，即PDC复合片(聚晶金刚石复合片)；该方法对设备性能要求高，需要昂贵的高压设备以及高的能耗，同时该材料耐冲击性能较差，在用于油田钻井时容易失效。另一种是将金刚石薄膜采用低压CVD(化学气相沉积)的方法沉积在WC-Co硬质合金基底上；该方法因为Co对金刚石有催石墨化的作用，需要在WC-Co硬质合金基底和金刚石薄膜增加复杂的过渡层，以增强金刚石薄膜和WC-Co硬质合金基底间的附着，同时该材料耐冲击性能也较差且沉积层厚度很薄。第三种是将金刚石厚膜或大颗粒焊接在WC-Co硬质合金基底上；这种方法虽然简单，但金刚石厚膜或大颗粒与WC-Co硬质合金基底的附着性能差，使用寿命短。
另外，现有技术中，所述硬质合金块(或片)一般采用胶粘或者点焊的方式与钢件基体结合。其中胶粘适用于烧结浸渗工艺，这种工艺的缺点是，硬质合金块(或片)与钢件结合不牢固，且填料中会存在很多孔隙，同时烧结浸渗的持续高温会对钢件基体的内部组织产生很大影响，比如晶粒长大的过热组织，最终造成钢件基体的强度低且不耐磨等。另外一种点焊方式适用于喷焊或者堆焊工艺。而喷焊的工艺因焊枪的火焰温度不高，焊料由于受热不均，易造成焊料孔隙率高，同时与钢件基体不能很好的结合，最终会造成焊料或硬质合金块(或片)磨损甚至脱落，最终造成工件的耐磨性等机械性能降低。且喷焊仅仅适用于钢件基体外圆表面的硬面处理，无法满足内壁也需要做硬面处理的工艺需求。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种硬质合金复合材料、其制备方法及应用，该材料低温烧结即可得到，同时可以提高硬质合金块或硬质合金片的耐磨性能。
本发明提供了一种硬质合金复合材料，包括：
碳化钨，钴，镍，磷和表面包覆钨层的金刚石粉末。
优选的，所述的硬质合金复合材料包括：
余量的表面包覆钨层的金刚石粉末。
优选的，所述硬质合金复合材料的液相共晶温度点为850℃～950℃。
优选的，所述硬质合金复合材料的烧结温度为1050℃～1200℃。
优选的，所述表面包覆钨层的金刚石粉末的粒径为30μm～50μm。
本发明还提供了一种上述硬质合金复合材料的制备方法，包括：
A)将碳化钨、钴、镍和磷按照质量比混合、球磨并干燥后，与表面包覆钨层的金刚石粉末混合，得到硬质合金复合材料粉末；
B)所述硬质合金复合材料粉末经压制、烧结，得到硬质合金复合材料。
优选的，所述烧结的温度为1050℃～1200℃。
本发明还提供了一种上述硬质合金复合材料或上述制备方法制备的硬质合金复合材料在制备耐磨零件中的应用。
优选的，所述硬质合金复合材料为硬质合金块或硬质合金片，应用于TC轴承、稳定器的硬面处理。
优选的，所述硬质合金块或硬质合金片通过等离子堆焊工艺与钢件基体形成冶金结合。
与现有技术相比，本发明提供了一种硬质合金复合材料，包括：碳化钨，钴，镍，磷和表面包覆钨层的金刚石粉末。本发明在所述硬质合金复合材料中添加了磷和镍，以及表面包覆钨层的金刚石粉末，大大降低了硬质合金的液相共晶温度和烧结温度，实现了硬质合金材料的低温烧结，而较低的烧结温度很好地避免了金刚石的碳化，有效的保留其耐磨性能，进而大大提高了材料的耐磨性。实验结果表明，本发明提供的硬质合金复合材料的液相共晶温度点为850℃～950℃，烧结温度为1050℃～1200℃。
具体实施方式
本发明提供了一种硬质合金复合材料，包括：
碳化钨，钴，镍，磷和表面包覆钨层的金刚石粉末。
本发明在所述硬质合金复合材料中添加了磷和镍，以及表面包覆钨层的金刚石粉末，大大降低了硬质合金的液相共晶温度和烧结温度，实现了硬质合金材料的低温烧结，而较低的烧结温度很好地避免了金刚石的碳化，有效的保留其耐磨性能，进而大大提高了材料的耐磨性。实验结果表明，本发明提供的硬质合金复合材料的液相共晶温度点为850℃～950℃，烧结温度为1050℃～1200℃。
本发明提供的硬质合金复合材料包括：
碳化钨，所述碳化钨的含量优选为60wt％～68wt％，更优选为61wt％～67wt％。
钴，所述钴优选为钴粉，所述钴的含量优选为7wt％～8wt％，更优选为7.2wt％～7.8wt％。
镍，所述镍优选为镍粉，所述镍的含量优选为3wt％～4wt％，更优选为3.2wt％～3.8wt％。
磷，所述磷优选为磷粉，所述磷的含量优选为0.2wt％～0.3wt％，更优选为0.22wt％～0.28wt％。
和余量的表面包覆钨层的金刚石粉末。
本发明中，所述金刚石粉末表面包覆钨层。所述钨层优选通过镀覆的方法包覆于金刚石粉末表面，本发明对所述镀覆钨层的方法并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的化学镀覆方法。
所述表面包覆钨层的金刚石粉末的粒径优选为30μm～50μm。
所述钨层的厚度优选为5-10μm。
上述磷和镍，以及表面包覆钨层的金刚石粉末，大大降低了硬质合金的液相共晶温度和烧结温度，液相共晶温度可以降低至850℃～950℃，烧结温度可以降低至1050℃～1200℃，实现了硬质合金材料的低温烧结致密化。同时在保留其较高的抗冲击韧性的同时，提高了其耐磨损、耐腐蚀的性能。在节约成本投入的同时，提高了硬质合金复合材料的性能，作为硬质合金块或硬质合金片应用于TC轴承、稳定器的硬面处理时，进一步提高了TC轴承、稳定器等需要做特殊硬面处理的钢件的性能及使用寿命，减少钻井作业过程中零部件的更换频率，节约成本投入的同时能够提高作业效率。同时较低的烧结温度还降低了能耗，减少了设备的损耗，节约了设备维修成本。
本发明还提供了上述硬质合金复合材料的制备方法，包括：
A)将碳化钨、钴、镍和磷按照质量比混合、球磨并干燥后，与表面包覆钨层的金刚石粉末混合，得到硬质合金复合材料粉末；
B)所述硬质合金复合材料粉末经压制、烧结，得到硬质合金复合材料。
上述碳化钨、钴、镍、磷、表面包覆钨层的金刚石粉末的用量同上，在此不再赘述。
上述烧结的温度优选为1050℃～1200℃。
本发明对上述压制、烧结并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的压制方法和烧结方法。
本发明优选的，所述烧结在惰性气体的氛围中进行。
本发明对金刚石粉末预先进行化学镀覆处理，在其表面镀覆一层钨，然后将其与之前混合好的硬质合金粉末混合均匀，金刚石粉末均匀分布在所述硬质合金粉末中，获得一种新型的硬质合金复合材料，然后经压制、烧结获得致密化的硬质合金复合材料。
在本发明的某些具体实施例中，所述硬质合金复合材料为硬质合金片或硬质合金块。
上述化学镀覆处理后的金刚石粉末，可以大大提高硬质合金复合材料的耐磨性能，同时，在压制成型之前就将镀覆好的金刚石粉末与其他粉末均匀混合，然后一起模压、烧结，使得最终得到的硬质合金块(或片)成分均匀、组织致密，有效的保留了硬质合金块(或片)的抗冲击韧性；添加了磷和镍之后，其低的烧结温度可以很好地避免了金刚石的碳化，有效的保留其耐磨性。
本发明还提供了上述硬质合金复合材料或上述制备方法制备的硬质合金复合材料在制备耐磨零件中的应用。
作为优选的实施例，所述硬质合金复合材料为硬质合金块或硬质合金片，应用于TC轴承、稳定器等需要特殊硬面处理的钢件。可获得机械性能优异且能满足恶劣工况要求的TC轴承、稳定器等需要做特殊硬面处理的耐磨零部件。
所述硬质合金片的厚度优选为2mm～3mm。
所述硬质合金块或硬质合金片优选通过等离子堆焊工艺与钢件基体形成冶金结合。
本发明采用等离子堆焊工艺将上述硬质合金复合材料与焊料、铸造碳化钨粉末等与钢件形成牢固的冶金结合，不易脱落。
上述等离子堆焊工艺具体为：
以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将焊料与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺。
在本发明的某些具体实施例中，硬质合金块(或片)通过点焊后，与钢件基体结合，然后再经过等离子堆焊，与钢件基体形成牢固的冶金结合。等离子弧的高温可以使得焊料及钢件基体表层熔化，使得最终的硬质合金块(或片)与钢件基体形成牢固的冶金结合，无论是在耐磨还是抗冲击性等方面都能够满足恶劣工况的要求。
采用本发明提供的上述硬质合金复合材料制备的硬质合金块(或片)，其耐磨耐腐蚀及抗冲击性能均能满足恶劣工况的要求，可以很好的应用于石油钻探领域中的钻进工具中，例如TC轴承、稳定器等部件的硬面层中。其超强的耐磨、耐腐蚀及抗冲击韧性，可以大大提高TC轴承或稳定器等部件的机械性能，延长其使用寿命，减少钻井作用中零部件更换频率，节约成本投入的同时也提高了作业效率。
本发明提供的上述硬质合金复合材料除可以作为硬面材料外，也可以直接应用于整体硬质合金制品中，直接用于制备各种硬质合金耐磨零部件，获得整体耐磨耐腐蚀抗冲击的装备构件，提升装备制造业的整体水平。
本发明对上述碳化钨、钴、镍、磷、金刚石粉末的来源并无特殊限定，可以为一般市售。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的硬质合金复合材料、其制备方法及应用进行详细描述。
实施例1
制备硬质合金复合材料，碳化钨60wt％，钴7wt％，镍3wt％，磷0.25wt％，表面包覆钨层的金刚石粉末29.7wt％。按照上述配比先将碳化钨、钴、镍、磷混合，球磨并干燥，然后加入表面包覆钨层的金刚石粉末，模压，1200℃烧结0.5h，得到硬质合金块，厚度为3mm。
采用点焊工艺，将上述硬质合金块与钢件基体表面结合在一起，然后利用等离子堆焊工艺，将硬质合金片、焊料及铸造碳化钨粉末与钢件基体焊接为一体，形成牢固的冶金结合，并记为材料A。
对其进行性能检测，结果如表1所示：
实施例2
制备硬质合金复合材料，碳化钨68wt％，钴8wt％，镍4wt％，磷0.25wt％，表面包覆钨层的金刚石粉末19.75wt％。按照上述配比先将碳化钨、钴、镍、磷混合，球磨并干燥，然后加入表面包覆钨层的金刚石粉末，模压，1200℃烧结0.5h，得到硬质合金块，厚度为3mm。
采用点焊工艺，将上述硬质合金块与钢件基体表面结合在一起，然后利用等离子堆焊工艺，将硬质合金片、焊料及铸造碳化钨粉末与钢件基体焊接为一体，形成牢固的冶金结合，并记为材料B。
对其进行性能检测，结果如表1所示：
实施例3
制备硬质合金复合材料，碳化钨64wt％，钴7.5wt％，镍3.5wt％，磷0.25wt％，表面包覆钨层的金刚石粉末24.75wt％。按照上述配比先将碳化钨、钴、镍、磷混合，球磨并干燥，然后加入表面包覆钨层的金刚石粉末，模压，1200℃烧结0.5h，得到硬质合金块，厚度为3mm。
采用点焊工艺，将上述硬质合金块与钢件基体表面结合在一起，然后利用等离子堆焊工艺，将硬质合金片、焊料及铸造碳化钨粉末与钢件基体焊接为一体，形成牢固的冶金结合，并记为材料C。
对其进行性能检测，结果如表1所示：
表1实施例1～3材料性能检测数据汇总
注：1，磨损检测遵照ASTM G65标准；耐磨腐蚀性能检测遵照ASTM G31标准
由上述实施例可知，本发明在所述硬质合金复合材料中添加了磷和镍，以及表面包覆钨层的金刚石粉末，大大降低了硬质合金的液相共晶温度和烧结温度，对钢件进行硬面处理后，大大提高了钢件的耐磨损、耐腐蚀以及抗冲击韧性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种硬质合金复合材料，其特征在于，包括：
余量为 表面包覆钨层的金刚石粉末；
所述硬质合金复合材料的液相共晶温度点为850℃～950℃；
所述硬质合金复合材料的烧结温度为1050℃～1200℃。
2.根据权利要求1所述的硬质合金复合材料，其特征在于，所述表面包覆钨层的金刚石粉末的粒径为30μm～50μm。
3.一种权利要求1～2任一项所述的硬质合金复合材料的制备方法，包括：
A)将碳化钨、钴、镍和磷按照质量比混合、球磨并干燥后，与表面包覆钨层的金刚石粉末混合，得到硬质合金复合材料粉末；
B)所述硬质合金复合材料粉末经压制、烧结，得到硬质合金复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为1050℃～1200℃。
5.权利要求1～2任一项所述的硬质合金复合材料或权利要求3～4任一项所述的制备方法制备的硬质合金复合材料在制备耐磨零件中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述硬质合金复合材料为硬质合金块或硬质合金片，应用于TC轴承、稳定器的硬面处理。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述硬质合金块或硬质合金片通过等离子堆焊工艺与钢件基体形成冶金结合。
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