CN107937784B - 一种金刚石复合材料的深冷处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种金刚石复合材料的深冷处理方法,属于材料科学领域，将胎体材料与金刚石颗粒按胎体材料80％、金刚石颗粒20％的体积百分比进行配料，混料2小时，得到金刚石复合材料；所得的金刚石复合材料通过中频热压烧结工艺加工成待深冷处理产品，将得到的待深冷处理产品放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率降至‑60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率降至‑180℃，保温60分钟～180分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至‑60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率升温至室温。本发明的方法增强金刚石与胎体间的粘结效果，提升金刚石复合粉料的综合力学性能。

Description

一种金刚石复合材料的深冷处理方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，具体涉及一种利用液氮深冷处理金刚石为耐磨相的复合材料的方法。
背景技术
粉末冶金技术被广泛应用于金刚石复合材料制备当中。在粉末烧结过程中，由于存在升温与降温处理阶段，会使胎体材料内部出现晶体排布缺陷，同时产生内部应力，宏观上表现为产生微裂纹。
深冷处理技术是20世纪60年代在普通冷处理(-100～0℃)的基础上发展起来的一门新技术，是在-130℃以下对材料进行处理的一种方法，是最新的材料强韧化处理工艺之一。深冷处理可有效提高金属、合金和硬质合金的力学性能和使用寿命，稳定尺寸，改善均匀性，减小变形，而且操作简便，不破坏工件，无污染，成本低，具有广泛的应用前景和发展空间。
国内外在深冷处理提高WC-Co硬质合金性能方面开展了大量理论与实验研究工作。深冷处理可使Co产生马氏体相变，由原来的面心立方堆积完全转变为结构紧密的六方最密堆积，提高了WC-Co合金的强度。此外，深冷处理可调整材料的内应力，细化组分晶粒，使硬质合金材料的硬度、耐磨性及使用寿命得以提高。
金刚石复合材料作为新型的超硬材料主要广泛应用于地质勘探领域、煤田开采以及石油钻探领域，随着现代工业和科学技术的迅猛发展对材料性能的要求日益提高，提高金刚石复合材料的综合力学性能势在必行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种金刚石复合材料的深冷处理方法，在采用传统粉末冶金工艺制备金刚石复合材料的基础上，对金刚石复合材料进行液氮深冷处理，使得金刚石复合材料内部结构发生变化，释放内部残余应力，提升综合力学性能。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将质量分数为40％的碳化钨粉、35％的663青铜粉、15％的YG6硬质合金粉、5％的镍粉和5％的锰粉配料，用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀的胎体材料；
步骤二、将步骤一中制得的胎体材料与金刚石颗粒按胎体材料80％、金刚石颗粒20％的体积百分比进行配料，然后在三维混料机中混料2小时，得到金刚石复合材料；
步骤三、将步骤二中所得的金刚石复合材料通过中频热压烧结工艺加工成待深冷处理产品，在中频热压烧结过程中，烧结温度为980℃，压力150kg/cm2～200kg/cm2，烧结时间为5分钟～10分钟；
步骤四、将步骤三中得到的待深冷处理产品放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温60分钟～180分钟，然后以2℃/min的升温速率从-180℃升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率从-60℃升温至室温。
进一步，步骤一中所述碳化钨粉的粒度为-200目，663青铜粉的粒度为-250目，YG6硬质合金粉的粒度为-200目,镍粉的粒度为-200目，锰粉的粒度为-250目。
进一步，步骤二中所述金刚石颗粒粒度为40/50目。
优选的，本发明的金刚石复合材料的深冷处理方法步骤三中，将步骤二得到金刚石复合材料装入石墨模具中通过中频热压烧结成型工艺加工成试块；步骤四中，将得到的试块放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温120分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率升温至室温。
优选的，本发明的金刚石复合材料的深冷处理方法步骤三中，将步骤一得到的胎体材料作为钻头非工作层材料，步骤二得到的金刚石复合材料作为钻头工作层材料依次加入到钻头制备石墨模具中配合钻头钢体通过中频热压烧结工艺加工成孕镶金刚石钻头；步骤四中，将得到的孕镶金刚石钻头放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温180分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率升温至室温。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种金刚石复合材料的深冷处理方法，在采用传统粉末冶金工艺制备金刚石复合材料的基础上，对金刚石复合材料进行液氮深冷处理，增强了胎体材料对金刚石颗粒的包镶能力，使得金刚石复合材料内部结构发生变化，释放内部残余应力，提升综合力学性能，本发明的金刚石复合材料加工的产品通过深冷处理后，与未经过深冷处理的产品相比耐磨性有所提高，抗弯强度有所增加，提升了产品综合性能，从而提高金刚石复合材料制得的产品的工作效率和使用寿命，具有很强的市场应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的深冷处理的工艺曲线图。
具体实施方式
为了更清楚地表明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程并没有详细的叙述。
本发明提出了一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将质量分数为40％的碳化钨粉、35％的663青铜粉、15％的YG6硬质合金粉、5％的镍粉和5％的锰粉配料，用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀的胎体材料，
所述碳化钨粉的粒度为-200目，663青铜粉的粒度为-250目，YG6硬质合金粉的粒度为-200目,镍粉的粒度为-200目，锰粉的粒度为-250目；
步骤二、将步骤一中制得的胎体材料与金刚石颗粒按胎体材料80％、金刚石颗粒20％的体积百分比进行配料，所述金刚石颗粒粒度为40/50目，然后在三维混料机中混料2小时，得到金刚石复合材料；
步骤三、将步骤二中所得的金刚石复合材料通过中频热压烧结工艺加工成待深冷处理产品，在中频热压烧结过程中，烧结温度为980℃，压力150kg/cm2～200kg/cm2，烧结时间为5分钟～10分钟；
步骤四、将步骤三中得到的待深冷处理产品放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温60分钟～180分钟，然后以2℃/min的升温速率从-180℃升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率从-60℃升温至室温，具体深冷处理温度随时间的变化曲线，请参照图1，图中工艺1是在降至-180℃时保温60分钟，工艺2是在降至-180℃时保温120分钟，工艺3是在降至-180℃时保温180分钟。
实施例一
首先将碳化钨粉5.200g、663青铜粉4.550g、YG6硬质合金粉1.950g、镍粉0.650g和锰粉0.650g放入50mL磨砂广口瓶中，用三维混料机进行机械球磨24小时；然后再加入金刚石颗粒1.008g，三维混料机混料2小时，制得最终的金刚石复合材料。将以上所得金刚石复合材料加入条形石墨模具中，中频热压烧结，烧结温度为980℃，压力为150kg/cm2，烧结时间为5分钟，获得34mm*8mm*5mm条形试块。将得到的试块放入SLX系列程序控制液氮深冷箱中进行处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温120分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率从-60℃升温至室温。经测试，所得试块的抗弯强度为412MPa，与未处理试块相比提升了7％；在和碳化硅砂轮对磨的条件下，磨耗比为1011，与未处理试块相比提升了53％。
实施例二
首先将碳化钨粉22.124g、663青铜粉19.359g、YG6硬质合金粉8.296g、镍粉2.766g和锰粉2.766g放入磨砂广口瓶中，用三维混料机进行机械球磨24小时；然后再加入金刚石颗粒4.28g，三维混料机混料2小时，制得最终的金刚石复合材料，作为钻头工作层材料；再将碳化钨粉27.656g、663青铜粉24.199g、YG6硬质合金粉10.371g、镍粉3.457g和锰粉3.457g放入磨砂广口瓶中，用三维混料机进行机械球磨24小时，制得的胎体材料作为非工作层材料。将以上所得胎体材料、金刚石复合材料依次加入到钻头制备石墨模具中，配合钻头钢体，进行中频热压烧结，烧结温度为980℃，压力为150kg/cm2，烧结时间为6分钟，制得外径59.5mm孕镶金刚石钻头。
将得到的孕镶金刚石钻头放入SLX系列程序控制液氮深冷箱中进行处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温60分钟～180分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率从-60℃升温至室温，利用处理过的孕镶金刚石钻头进行钻进试验，钻速为500r/min，钻压为7kN，冲洗介质水，流量26L/min～29L/min，所用岩样种类为花岗岩，尺寸为30cm*25cm*15cm，可钻性7级，研磨性中等。经测试，深冷处理后，孕镶金刚石钻头单位进尺工作层消耗为0.0403mm/m，与未处理孕镶金刚石钻头相比降低了94％；平均机械钻速为4.25m/h，与未处理孕镶金刚石钻头相比提升了32％。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将质量分数为40％的碳化钨粉、35％的663青铜粉、15％的YG6硬质合金粉、5％的镍粉和5％的锰粉配料，用三维混料机混合24小时，机械球磨混料形成均匀的胎体材料；
步骤二、将步骤一中制得的胎体材料与金刚石颗粒按胎体材料80％、金刚石颗粒20％的体积百分比进行配料，然后在三维混料机中混料2小时，得到金刚石复合材料；
步骤三、将步骤二中所得的金刚石复合材料通过中频热压烧结工艺加工成待深冷处理产品，在中频热压烧结过程中，烧结温度为980℃，压力150kg/cm2～200kg/cm2，烧结时间为5分钟～10分钟；
步骤四、将步骤三中得到的待深冷处理产品放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温60分钟～180分钟，然后以2℃/min的升温速率从-180℃升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率从-60℃升温至室温。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于：步骤一中所述碳化钨粉的粒度为-200目，663青铜粉的粒度为-250目，YG6硬质合金粉的粒度为-200目,镍粉的粒度为-200目，锰粉的粒度为-250目。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于：步骤二中所述金刚石颗粒粒度为40/50目。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于：
步骤三中，将步骤二得到金刚石复合材料装入石墨模具中通过中频热压烧结成型工艺加工成试块；
步骤四中，将得到的试块放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温120分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率升温至室温。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种金刚石复合材料的深冷处理方法，其特征在于：
步骤三中，将步骤一得到的胎体材料作为钻头非工作层材料，步骤二得到的金刚石复合材料作为钻头工作层材料依次加入到钻头制备石墨模具中配合钻头钢体通过中频热压烧结工艺加工成孕镶金刚石钻头；
步骤四中，将得到的孕镶金刚石钻头放入液氮深冷箱中进行深冷处理，初始温度设定为室温，首先以2℃/min的降温速率从室温降至-60℃，保温40分钟，再以2℃/min的降温速率从-60℃降至-180℃，保温180分钟，然后以2℃/min的升温速率升温至-60℃，保温40分钟，最后以2℃/min的升温速率升温至室温。
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