CN108707774A - 一种高硬度合金复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高硬度合金复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高硬度合金的制备方法，其含有的化学元素成分及其质量百分比为：铁25~32份、碳化钨45~60份、20~30改性镍基型氮化硅、TiB2/Cu/Ni复合纳米材料8份。本发明高硬度合金复合钻头材料，抗高温、耐磨性能好，硬度佳，能够满足实际应用领域不断提高的性能要求的需要。

Description

一种高硬度合金复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种新材料，具体涉及一种高硬度合金复合钻头材料。
背景技术
金，是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得，高硬度合金应用非常广泛， 如制备钻头，钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。
传统钻头的材料为金属陶瓷复合材料，在钻杆钻进过程中，承受较大的摩擦力和冲击力，导致钻头磨损过大，影响使用，而在研磨性较强的地层中，传统钻头的材料已不能满足要求，因此，必须研发一种强度更高、耐磨性更好的钻头材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硬度合金复合材料的制备方法，主要是以铁、碳化钨、改性镍基型氮化硅为原料，通过加入一定量的TiB2/Cu/Ni复合纳米材料以及进行热加工处理，制备出具有较高强度材料。
一种高硬度合金复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
称取20~36份铁粉、45~60份碳化钨粉、20~30改性镍基型氮化硅，放入熔炼炉中，以275℃/小时速率由室温升温至3000℃保温1~1.5h后，向熔炼炉中吹入氩气精炼20min后扒渣，静置10~20min，得到混合熔体；
2）将混合熔体转移至气氛箱式炉中，将炉内抽真空至200Pa以下后通入0.2MPa纯氮气以260℃/小时速率升温至1000℃，加入8重量份TiB2/Cu/Ni复合纳米材料后再升温至1050~1100℃搅拌保温2小时，再以245℃/小时速率降温至250℃以下，将得到的合金胚体放入铸型中，浇入钢水，使合金胚体在钢水的热量作用下致密化即得高硬度合金复合材料。
所述TiB2/Cu/Ni复合纳米材料制备方法如下：
1）称取24重量份Ti粉、5重量Ni、6重量份B4C粉末放入超声波混合器200W进行超声混合1h后转移至反应釜中，加入50重量份去离子水，2份硅酸钠，1份十六烷基三甲基溴化铵，在磁场作用下、80~85℃、转速500~650r/min的条件下反应1h，过滤，将得到的浆料装入装入至内径为1/2英寸、长30cm的蒙乃尔材质管式反应器，通入氮气在320℃下焙烧3~4h，氮气空速为200~240h-1，取出，备用；
2）将上述粉末转移至不锈钢球磨罐中，加入直径为3和8mm的二氧化锆球，总球料比为10:1，大小球质量比为1:4；将球磨罐抽真空，持续通入氩气，加入4重量份乙醇，在高能行星式球磨机上进行间歇式球磨，每球磨15 min后停15 min，转速为300 r/min，球磨40 h后将得到的粉末与60重量份Cu粉混合均匀，并在900℃、30MPa、真空度<10-2Pa下热压烧结1h，得到TiB2/Cu/Ni复合纳米材料。
有益效果：本发明制备的高强度复合材料，以铁、碳化钨、改性镍基型氮化硅为原料，同时引入TiB2/Cu/Ni复合纳米材料，融合后协同优化合金空间拓扑结构，细化了晶粒，降低了脆性，改性镍基型氮化硅的加入加强了合金内部致密化程度，对硬质颗粒的压入和切削运动有较好的阻碍作用，提高了该合金硬度，有较好的抗高温、耐磨性。
具体实施方式
实施例1
1）称取22份铁粉、58份碳化钨粉、25份改性镍基型氮化硅，放入熔炼炉中，以275℃/小时速率由室温升温至3000℃保温1~1.5h后，向熔炼炉中吹入氩气精炼20min后扒渣，静置10~20min，得到混合熔体；
2）将混合熔体转移至气氛箱式炉中，将炉内抽真空至200Pa以下后通入0.2MPa纯氮气以260℃/小时速率升温至1000℃，加入8重量份TiB2/Cu/Ni复合纳米材料后再升温至1050~1100℃搅拌保温2小时，再以245℃/小时速率降温至250℃以下，将得到的合金胚体放入铸型中，浇入钢水，使合金胚体在钢水的热量作用下致密化即得高硬度合金复合钻头材料。
所述TiB2/Cu/Ni复合纳米材料制备方法如下：
1）称取24重量份Ti粉、5重量Ni、6重量份B4C粉末放入超声波混合器200W进行超声混合1h后转移至反应釜中，加入50重量份去离子水，2份硅酸钠，1份十六烷基三甲基溴化铵，在磁场作用下、80~85℃、转速500~650r/min的条件下反应1h，过滤，将得到的浆料装入装入至内径为1/2英寸、长30cm的蒙乃尔材质管式反应器，通入氮气在320℃下焙烧3~4h，氮气空速为200~240h-1，取出，备用；
2）将上述粉末转移至不锈钢球磨罐中，加入直径为3和8mm的二氧化锆球，总球料比为10:1，大小球质量比为1:4；将球磨罐抽真空，持续通入氩气，加入4重量份乙醇，在高能行星式球磨机上进行间歇式球磨，每球磨15 min后停15 min，转速为300 r/min，球磨40 h后将得到的粉末与60重量份Cu粉混合均匀，并在900℃、30MPa、真空度<10-2Pa下热压烧结1h，得到TiB2/Cu/Ni复合纳米材料。
所述改性镍基型氮化硅粉末制备方法如下：
步骤1、将30份氮化硅粉、1份分散剂氯化胺置于振动球磨机上继1份交联剂TAIC和1份发泡剂（卜二烷基苯磺酸钠）溶解于水中，搅拌均匀作；
步骤2、向上述浆料添加3份的引发剂(APS)，反应完成后即制得稳定的泡沫凝胶，在70℃的烘箱中烘干,2小时后即得多孔坯体；
步骤3、将上述多孔坯体放入燃烧合成高压反应釜中，在坯体前端上表面堆放镍粉引燃剂，抽真空至6MPa后充入氮气，以通电钨丝圈点燃引燃剂，引发坯体发生燃烧合成反应，并在燃烧过程中视需要补充氮气以维持恒定的压力，燃烧反应完成后，冷却至室温，将反应产物细磨得到改性镍基型氮化硅。
实施例2
与实施例1完全相同，不同在于：加入20份铁粉、60份碳化钨粉、10份改性镍基型氮化硅。
实施例3
与实施例1完全相同，不同在于：加入25份铁粉、50份碳化钨粉、15份改性镍基型氮化硅。
实施例4
与实施例1完全相同，不同在于：加入30份铁粉、56份碳化钨粉、5份改性镍基型氮化硅。
实施例5
与实施例1完全相同，不同在于：加入35份铁粉、54份碳化钨粉、45份改性镍基型氮化硅。
实施例6
与实施例1完全相同，不同在于：加入30份铁粉、52份碳化钨粉、30份改性镍基型氮化硅。
实施例7
与实施例1完全相同，不同在于：加入40份铁粉、30份碳化钨粉、15份改性镍基型氮化硅。
实施例8
与实施例1完全相同，不同在于：加入10份铁粉、45份碳化钨粉、10份改性镍基型氮化硅。
实施例9
与实施例1完全相同，不同在于：加入15份铁粉、47份碳化钨粉、20份改性镍基型氮化硅。
对比例1
与实施例1完全相同，不同在于：只是不加入TiB2/Cu/Ni复合纳米材料。
对比例2
与实施例1完全相同，不同在于：只是制备TiB2/Cu/Ni复合纳米材料时不加入硅酸钠。
对比例3
与实施例1完全相同，不同在于：只是制备TiB2/Cu/Ni复合纳米材料时不加入十六烷基三甲基溴化铵。
对比例4
与实施例1完全相同，不同在于：只是制备TiB2/Cu/Ni复合纳米材料时不在磁场作用下反应。
对比例5
与实施例1完全相同，不同在于：只是制备TiB2/Cu/Ni复合纳米材料时不加入乙醇。
对比例6
与实施例1完全相同，不同在于：用普通氮化硅替代改性镍基型氮化硅。
对比例7
与实施例1完全相同，不同在于：普通镍粉替代改性镍基型氮化硅。
对比例8
与实施例1完全相同，不同在于：普通镍粉和氮化硅替代改性镍基型氮化硅。
对比例9
与实施例1完全相同，不同在于：只是制备高强度复合钻头材料时用TiC代替TiB2/Cu/Ni复合纳米材料。
依照GB T230.1-2009金属洛氏硬度试验方法采用高温洛氏硬度计测试实施例1~9和对比例1~9中制备的高强度复合钻头材料洛氏硬度，主要性能指标数据见下表。
高强度复合材料硬度评价结果
由实施例1~9可以发现，当在实施例1所处于配比环境中，制得的高强度复合材料的洛氏硬度达68HRC，其硬度最高，而是实施例2~9制备的高强度复合钻头材料力学性能不是特别理想，其硬度均在50HRC以下，实施例1配比下制备的高强度复合钻头材料硬度出奇的高，可能的原因是配比1下在实施例1所述的原料配比下各种金属原料可协同优化合金空间拓扑结构，细化了晶粒，降低了脆性，提高了该合金硬度，协同效果最好。另外对比例1~5说明TiB2/Cu/Ni复合纳米材料的加入对高强度复合材料性能影响较大，对比例6~9说明制备高强度复合材料原料及条件的选择对硬度有突出影响。

Claims (5)

1.一种高硬度合金复合材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
1）称取20~36份铁粉、45~60份碳化钨粉、20~30改性镍基型氮化硅，放入熔炼炉中，以275℃/小时速率由室温升温至3000℃保温1~1.5h后，向熔炼炉中吹入氩气精炼20min后扒渣，静置10~20min，得到混合熔体；
2）将混合熔体转移至气氛箱式炉中，将炉内抽真空至200Pa以下后通入0.2MPa纯氮气以260℃/小时速率升温至1000℃，加入8重量份TiB2/Cu/Ni复合纳米材料后再升温至1050~1100℃搅拌保温2小时，再以245℃/小时速率降温至250℃以下，将得到的合金胚体放入铸型中，浇入钢水，使合金胚体在钢水的热量作用下致密化即得高硬度合金复合钻头材料。
2.根据权利要求1所述一种高硬度合金复合材料的制备方法，其特征在于步骤1）中所述其特征在于所述熔炼炉为全悬浮式熔炼炉。
3.根据权利要求1所述一种高硬度合金复合材料的制备方法，其特征在于步骤1）中改性镍基型氮化硅粒径小于30nm，比表面积大于80m/g。
4.根据权利要求1所述一种高硬度合金复合材料的制备方法，其特征在于所述TiB2/Cu/Ni复合纳米材料制备方法如下：
称取24重量份Ti粉、5重量Ni、6重量份B4C粉末放入超声波混合器200W进行超声混合1h后转移至反应釜中，加入50重量份去离子水，2份硅酸钠，1份十六烷基三甲基溴化铵，在磁场作用下、80~85℃、转速500~650r/min的条件下反应1h，过滤，将得到的浆料装入装入至内径为1/2英寸、长30cm的蒙乃尔材质管式反应器，通入氮气在320℃下焙烧3~4h，氮气空速为200~240h-1，取出，备用；
将上述粉末转移至不锈钢球磨罐中，加入直径为3和8mm的二氧化锆球，总球料比为10:1，大小球质量比为1:4；将球磨罐抽真空，持续通入氩气，加入4重量份乙醇，在高能行星式球磨机上进行间歇式球磨，每球磨15 min后停15 min，转速为300 r/min，球磨40 h后将得到的粉末与60重量份Cu粉混合均匀，并在900℃、30MPa、真空度<10-2Pa下热压烧结1h，得到TiB2/Cu/Ni复合纳米材料。
5.根据权利要求1所述一种高硬度合金复合材料的制备方法，其特征在于所述改性镍基型氮化硅粉末制备方法如下：
步骤1、将30份氮化硅粉、1份分散剂氯化胺置于振动球磨机上继1份交联剂TAIC和1份发泡剂溶解于水中，搅拌均匀作；
步骤2、向上述浆料添加3份的引发剂(APS)，反应完成后即制得稳定的泡沫凝胶，在70℃的烘箱中烘干,2小时后即得多孔坯体；
步骤3、将上述多孔坯体放入燃烧合成高压反应釜中，在坯体前端上表面堆放镍粉引燃剂，抽真空至6MPa后充入氮气，以通电钨丝圈点燃引燃剂，引发坯体发生燃烧合成反应，并在燃烧过程中视需要补充氮气以维持恒定的压力，燃烧反应完成后，冷却至室温，将反应产物细磨得到改性镍基型氮化。
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