CN107866578A - 一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法及系统 - Google Patents

一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金技术领域，公开了一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法及系统，方法为：将石墨烯预先均匀地分散于有机溶剂中形成分散液之后，再与粗晶WC粉，Co粉混合，再依次经过球磨、干燥、烧结工序制得盾构刀具硬质合金。本发明石墨烯利用在有机溶剂中的超声震荡分散，并与硬质合金原料粉末进行长时间的球磨，能够到达良好的混合效果，从而实现在后续烧结过程中使组织均匀，降低烧结缺陷；利用石墨烯所具有的优异的导热性能和兼具的综合力学性能，实现对硬质合金导热性能的提升和力学性能的增强。

Description

一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法及系统
技术领域
本发明属于合金技术领域，尤其涉及一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法及系统。
背景技术
硬质合金是以高硬度、高熔点金属的碳化物(WC、TiC)为基体，以钴(Co)、镍(Ni)或钼(Mo)为粘结相组成的复合材料。硬质合金具有独特的性能组合，即良好的耐磨性、高的硬度、高抗压强度、高弹性模量、强抗冲击性能、高耐腐蚀性、尺寸稳定等。盾构刀具刀头一般就是用粗晶WC-Co类硬质合金制成。
关于盾构刀具失效机制和刀具温度方面的研究表明，盾构施工过程中刀具的主要失效形式是断裂和磨损，两种失效现象都与刀具的温度密切相关，如，在常温WC-6Co的冲击韧性有2J/mm2,而在400℃时就降到了0.4J/mm2，可见在高温时受到冲击，极容易断裂,在掘进时,刀具的温度一般认为可达到300℃到500℃，局部温度可达1000℃以上。特别是在软硬不均的地层掘进时，由于黏土的粘结，使得刀具散热困难，刀具承受了更高的使用温度，以致力学性能明显下降，使用寿命大幅度降低。
要想提高硬质合金盾构刀具性能，延长其使用寿命，在增强其力学性能的同时，提高其导热散热性尤为重要。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有技术没用利用石墨烯的导热性能及综合力学性能的特点，和没有运用SPS烧结实现盾构刀具致密化，对硬质合金力学性能和导热散热性能达不到的增强和改性的效果。
现有技术对硬质合金的改性只是通过各种工艺手段去提高硬质合金的力学性能，而忽视了其所使用的具体条件，对于盾构刀具来说，强韧性的力学性能提高是一个方面，导热散热性的提高才是一个需要侧重的点，温度一升高，力学强度硬度等力学性能就会急剧下降，而现有技术很多都是单纯从力学性能上考虑。
同时，现有盾构刀具一般是通过热压烧结完成，会存在大量的缺陷，在使用的过程中缺陷就会成为裂纹源，在反复使用过程中，循环应力很容易导致其开裂，从而导致刀具的断裂，同样铸造的致密度也不够，从而使硬度耐磨性降低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法及系统。本发明就涉及了具体的应用环境，以提高导热降低刀具使用温度，同时力学性能得到增强；本发明是利用SPS烧结，能够降低合金内部缺陷提高致密度。
本发明是这样实现的，针对石墨烯的分散及与WC、Co混合，本发明只采用了超声振荡及球磨的物理方法，也可以借助于化学方法使石墨烯能在合金粉末中分散得更加均匀，在液相还原法制备钴粉的过程中将石墨烯均匀分散在Co粉中，制备Co粉的化学方程式为：
Co2++4NaOH→[Co(OH)4]2-+4Na+
2[Co(OH)4]2-+N2H4·H2O→2Co↓+N2↑+5H2O+4OH-；
在Co的溶液中添加石墨烯，振荡分散后加入氢氧化钠形成Co的络合物，后加入联氨还原，使石墨烯作为Co非均质形核的夹杂，与Co共同沉淀下来使得石墨烯在Co中达到良好的分散，然后再将得到的Co粉与WC进行球磨，已达到良好的混合效果。
一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法，包括：
将石墨烯预先均匀地分散于有机溶剂中形成分散液之后，再与粗晶WC粉，Co粉混合，再依次经过球磨、干燥、烧结工序制得盾构刀具硬质合金。
进一步，所述提高盾构刀具硬质合金性能的方法具体包括：
步骤一，将计算配比的石墨烯加入有机溶剂中分散成均匀悬浮液；
步骤二，将步骤一所得悬浮液加入到计算配比的WC、Co粉中进行球磨混，将石墨烯与硬质合金粉末混合；
步骤三，将步骤二所得混合粉体进行干燥；
步骤四，将步骤三所得混合粉末烧结成型。
进一步，步骤一中添加的石墨烯为单层石墨烯，分散工艺为超声震荡分散，分散介质为乙醇溶液，分散时间为30-60分钟。
进一步，步骤二中Co粉占合金原料的6-10wt％，采用行星式球磨装置，球磨转速为100-150转/分钟，球磨时间2-4小时，球料比为2:1-4:1；在所述硬质合金原料中石墨烯的的添加范围为该硬质合金原料中Co量的0.5-2.5wt％。
进一步，步骤三在真空环境下进行，干燥温度为50-100摄氏度。
进一步，步骤四采用的烧结方式为SPS放电等离子烧结，烧结温度1200-1500摄氏度，轴向压强80-100MPa，保温10-20分钟。
本发明的另一目的在于提供一种提高盾构刀具硬质合金性能的系统。
本发明的优点及积极效果为：
本发明充分利用石墨烯具有优越的导热性能及综合力学性能的特点，运用SPS烧结实现致密化，从而实现对硬质合金力学性能和导热散热性能的增强和改性。
本发明所制得硬质合金有以下优点：
WC-Co类合金随含Co量的变化，其硬度和强度是变化的，Co量高，强度高，硬度下降，反之，亦然。采用粗晶WC粉末，可以降低粘接相Co的含量，低Co粗晶粒合金在保持韧性的同时，硬度耐磨性也明显优于高Co细晶粒合金。
石墨烯利用在有机溶剂中的超声震荡分散，并与硬质合金原料粉末进行长时间的球磨，能够到达良好的混合效果，从而实现在后续烧结过程中使组织均匀，降低烧结缺陷。
利用石墨烯所具有的优异的导热性能和兼具的综合力学性能，实现对硬质合金导热性能的提升和力学性能的增强。合金密度比传统合金略有下降，是因为添加了低密度的石墨烯所致，但合金的相对密度均达到了98％以上，具有很高的致密性，内部缺陷极少存在；运用本发明所制得的试样，与一般盾构用硬质合金相比，弯曲强度可提35.0％，硬度HRA都在89以上，均满足盾构刀具硬度要求。与未添加石墨烯的试样相比，断裂韧性可提高33.8％，热导率可提高8.3％。
附图说明
图1是本发明实施例提供的提高盾构刀具硬质合金性能的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的实施案例1所制得样品显微硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图3是本发明中实施案例4所制得样品显微硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图4是本发明中实施案例1所制得样品的断口扫面电子显微镜照片图；
图5是本发明中实施案例4所制得样品的断口扫面电子显微镜照片图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
针对石墨烯的分散及与WC、Co混合，本发明实施例提供的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，只采用了超声振荡及球磨的物理方法，也可以借助于化学方法使石墨烯能在合金粉末中分散得更加均匀，在液相还原法制备钴粉的过程中将石墨烯均匀分散在Co粉中，制备Co粉的化学方程式为：
Co2++4NaOH→[Co(OH)4]2-+4Na+
2[Co(OH)4]2-+N2H4·H2O→2Co↓+N2↑+5H2O+4OH-
在Co的溶液中添加石墨烯，振荡分散后加入氢氧化钠形成Co的络合物，后加入联氨还原，使石墨烯作为Co非均质形核的夹杂，与Co共同沉淀下来使得石墨烯在Co中达到良好的分散，然后再将得到的Co粉与WC进行球磨，已达到良好的混合效果。
如图1所示，本发明实施例提供的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，包括：
步骤一，将计算配比的石墨烯加入有机溶剂中分散成均匀悬浮液；
步骤二，将步骤一所得悬浮液加入到计算配比的WC、Co粉中进行球磨混，将石墨烯与硬质合金粉末混合；
步骤三，将步骤二所得混合粉体进行干燥；
步骤四，将步骤三所得混合粉末烧结成型。
步骤一中添加的石墨烯为单层石墨烯，分散工艺为超声震荡分散，分散介质为乙醇溶液，分散时间为30-60分钟。
步骤二中Co粉占合金原料的6-10wt％，采用行星式球磨装置，球磨转速为100-150转/分钟，球磨时间2-4小时，球料比为2:1-4:1；在所述硬质合金原料中石墨烯的的添加范围为该硬质合金原料中Co量的0.5-2.5wt％。
步骤三在真空环境下进行，干燥温度为50-100摄氏度。
步骤四采用的烧结方式为SPS放电等离子烧结，烧结温度1200-1500摄氏度，轴向压强80-100MPa，保温10-20分钟。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
实施案例1该石墨烯掺杂硬质合金的制备方法为：
称量一定质量的WC、Co粉，Co粉含量占合金原料的6wt％，将相对于Co的重量百分比1％的石墨烯在乙醇中超声分散30分钟，然后以该石墨烯的乙醇悬浮液作为球磨介质，与WC、Co粉进行球磨混合，在行星式球磨机中120转/分钟球磨4小时，随后经真空干燥，进行SPS烧结成型，烧结温度1200摄氏度，轴向压强80MPa，保温10分钟，随炉冷却，获得掺杂石墨烯的硬质合金。其性能见表1。
实施案例2本实施案例与实施案例1的不同点在于，其中石墨烯的添加量为Co量的1.5wt％，其性能见表1。
实施案例3本实施案例与实施案例1的不同点在于，其中石墨烯的添加量为Co量的2wt％，其性能见表1。
实施案例4本实施案例与实施案例1的不同点在于，其中石墨烯的添加量为Co量的2.5wt％，其性能见表1。
表1实施案例1-5所制得试样的性能
图2是本发明实施例提供的实施案例1所制得样品显微硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图3是本发明中实施案例4所制得样品显微硬度压痕及裂纹的金相照片图；
图4是本发明中实施案例1所制得样品的断口扫面电子显微镜照片图；
图5是本发明中实施案例4所制得样品的断口扫面电子显微镜照片图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高盾构刀具硬质合金性能的方法，其特征在于，所述提高盾构刀具硬质合金性能的方法，采用了超声振荡及球磨的物理方法，或借助于化学方法使石墨烯能在合金粉末中分散均匀；
在液相还原法制备钴粉的过程中将石墨烯均匀分散在Co粉中，制备Co粉的化学方程式为：
Co2++4NaOH→[Co(OH)4]2-+4Na+
2[Co(OH)4]2-+N2H4·H2O→2Co↓+N2↑+5H2O+4OH-；
在Co的溶液中添加石墨烯，振荡分散后加入氢氧化钠形成Co的络合物，后加入联氨还原，使石墨烯作为Co非均质形核的夹杂，与Co共同沉淀下来使石墨烯在Co中分散；然后再将得到的Co粉与WC进行球磨。
2.如权利要求1所述的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，其特征在于，所述提高盾构刀具硬质合金性能的方法具体包括：
步骤一，将计算配比的石墨烯加入有机溶剂中分散成均匀悬浮液；
步骤二，将步骤一所得悬浮液加入到计算配比的WC、Co粉中进行球磨混，将石墨烯与硬质合金粉末混合；
步骤三，将步骤二所得混合粉体进行干燥；
步骤四，将步骤三所得混合粉末烧结成型。
3.如权利要求2所述的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，其特征在于，
步骤一中添加的石墨烯为单层石墨烯，分散工艺为超声震荡分散，分散介质为乙醇溶液，分散时间为30分钟～60分钟。
4.如权利要求2所述的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，其特征在于，
步骤二中Co粉占合金原料的6wt％～10wt％，采用行星式球磨装置，球磨转速为100-150转/分钟，球磨时间2小时～4小时，球料比为2:1～4:1；在所述硬质合金原料中石墨烯的的添加范围为该硬质合金原料中Co量的0.5wt％～2.5wt％。
5.如权利要求2所述的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，其特征在于，步骤三在真空环境下进行，干燥温度为50摄氏度～100摄氏度。
6.如权利要求2所述的提高盾构刀具硬质合金性能的方法，其特征在于，步骤四采用的烧结方式为SPS放电等离子烧结，烧结温度1200摄氏度～1500摄氏度，轴向压强80MPa～100MPa，保温10分钟～20分钟。
7.一种如权利要求1所述提高盾构刀具硬质合金性能的方法的提高盾构刀具硬质合金性能的系统。
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