CN111451510B - 一种多齿头硬质合金复合柱齿及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多齿头硬质合金复合柱齿及其制备方法，将硬质合金复合柱齿在高度方向上设计成齿头部和齿身部，齿头部包括2~3个齿头，齿头呈轴对称分布，包括步骤：步骤一制备齿身原料和齿头原料；齿头包括10~20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、1~7wt%的蜡基复合成型剂，余量为齿身原料。步骤二将齿头原料和齿身原料通过共注射成型方法分别注入模具，得复合结构的柱齿软坯。步骤三对复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，齿头和齿身的结合界面冶金反应形成过渡层，一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿。解决了现有硬质合金柱齿不能同时兼顾耐磨性和韧性的技术问题，显著提高了柱齿的耐磨性、破岩效率，从而提高了钻具的使用寿命、钻进速度。

Description

一种多齿头硬质合金复合柱齿及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金材料领域，特别涉及一种多齿头复合结构的硬质合金柱齿及其制备方法。
背景技术
硬质合金柱齿广泛用于各种规格冲击和潜孔钻头、油用牙轮钻头、矿用牙轮钻头。硬质合金柱齿包括齿头和齿身，其按齿头状划分，主要有球型齿、锥型齿、弹型齿、楔型齿、翼型齿、平头齿、锯形齿等，柱齿的齿身一般呈圆柱形。
硬质合金柱齿一般采用难熔的碳化钨为硬质相，金属钴为粘结相的硬质合金材料，虽然硬质合金具有很高的硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性，但是硬质合金柱齿在使用时，不仅受冲击载荷和扭转载荷的作用，还需要承受来自岩石的严重磨损，据统计，目前市场上硬质合金柱齿失效原因主要是不耐磨，特别是在特别是钻探高研磨性硬地层，硬质合金柱齿很容易过早磨损，导致钻头寿命短、钻进效率低、掘进费用高。另外，现有硬质合金柱齿均采用单齿头结构，单齿头受力集中，对齿头力学性能要求高，破岩范围有限，且单个齿头的露齿有限，导致钻掘速度受限。
为解决硬质合金柱齿不耐磨的问题目前主要有两种方法，一种是对其齿头表面进行梯度处理使齿头表面具有更低钴含量的高硬度层，从而提高表层的耐磨性，齿身的钴含量高于齿头，维持韧性。因传统的硬质合金在耐磨性与强韧性之间存在一种矛盾，即钴含量低则硬度和耐磨性高而韧性低，反之钴含量高则韧性高而硬度和耐磨性差。在相同钴含量的条件下，碳化钨的粒度对硬度与韧性会带来一定影响，碳化钨粒度越细硬度越高，韧性则越低。所以目前功能梯度硬质合金是一个研究方向，如中国专利CN 110453128 A齿冠表层部位采用中粗晶粒WC，利用中粗晶粒WC的高韧性提高锥形齿冠表层的抗冲击能力，球冠部分采用细晶粒WC，利用细晶粒WC的高硬度以提高整个球冠齿芯部的耐磨性。但是这种梯度结构柱齿的齿头韧性还是低于传统的硬质合金齿头，所以其厚度也有限制，耐磨性仍然难以保证。因此，如果只是采用调整WC粒度和Co含量的方法进行合金的耐磨性提高，调整范围有限，且在效果上也有限。
另一种方法是将金刚石和硬质合金相复合，得金刚石-硬质合金复合柱齿，如附图1所示，硬质合金作为基体，增强整体的韧性，在硬质合金基体5上复合一层金刚石复合片1，发挥金刚石硬度高、耐磨性高的优点。如中国专利CN 104439248 A采用在硬质合金基体上复合金刚石与立方碳化硼构成的过渡层和多晶金刚石层，得具有很高的耐磨性和韧性的金刚石硬质合金复合球齿。以及中国专利CN 202467663 U和CN 205330546 U均是在硬质合金基体上复合金刚石。虽然金刚石硬度和耐磨性都较高，但是韧性低，耐冲击性差，且金刚石复合层与硬质合金基体结合强度低，影响韧性，所以金刚石的厚度通常较薄。另外金刚石层厚度较薄，工作寿命短，如果依靠增加厚度来延长其使用寿命，则将进一步减弱金刚石复合片的耐冲击能力。
综上所述，现有硬质合金柱齿主要存在的问题包括：1.现有硬质合金柱齿耐磨性不高，容易过早磨损，导致钻头寿命短、钻进效率低、掘进费用高。2.现有的硬质合金复合柱齿，无论是钴含量或者碳化钨粒度梯度结构的，还是在硬质合金基体复合金刚石等复合片的，都难以同时兼顾柱齿的耐磨性和韧性。3. 现有单齿头结构硬质合金柱齿的破岩范围和钻掘速度均受限。
有鉴于此，如何设计一种同时具有高耐磨性和高韧性，适用破岩范围更广，钻掘速度更快的硬质合金复合柱齿是本发明研究的课题。
发明内容
本发明目的是提供一种多齿头硬质合金复合柱齿及其制备方法，其目的是要解决现有硬质合金柱齿不能同时兼顾耐磨性和韧性，在高研磨性硬地层中耐磨性不足、钻掘速度低的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法技术方案是：
将硬质合金复合柱齿在高度方向上设计成齿头部和齿身部，所述齿头部包括2~3个齿头，所述齿头呈轴对称分布，所述齿身部包括一个齿身；所述制备方法包括以下步骤：
步骤一.制备齿身原料和齿头原料；
所述齿身包括以下重量含量的组分：4~16wt%的钴粉、1~3wt%的石蜡成型剂或聚乙二醇成型剂，余量为常规碳化钨粉；按重量含量称取各组分，再进行湿磨、干燥制粒处理得所述齿身原料；
所述齿头包括以下重量含量的组分：10~20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、1~7wt%的蜡基复合成型剂，余量为所述齿身原料；按重量含量称取各组分，先置于捏合机中进行捏合处理，控制捏合温度为40~100℃，捏合时间为0.5~4h，捏合机转速为25~50rpm；再冷却制粒，得所述齿头原料；
其中，所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒由球形铸造碳化钨颗粒在1300~1700℃下进行渗碳处理，再用有机溶剂清洗干燥制得；所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒的球面碳化生成1~10μm厚的碳化钨层，内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织；蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：65~90wt%的微晶蜡、8~33wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、1~5wt%的三乙醇胺油酸酯；
步骤二.将所述齿头原料和齿身原料通过共注射成型方法分别注入模具获得复合结构的柱齿软坯；包括以下步骤：先利用共注射成形机将齿头原料分别注射到每个齿头模具腔，每个齿头模具均具有入料口，再将齿身原料注射到齿身模具腔；控制喂料温度90~150℃，注射压力为100~200MPa，保压压力为110~150MPa；再在90~150℃温度下进行催化脱脂处理，脱除成型剂；
步骤三.在惰性气体气氛下，对步骤二制得的复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，控制所述惰性气体压力为1~10MPa，烧结温度为1350~1450℃，保温时间为30~120min，所述齿头和齿身的结合界面发生冶金反应，形成过渡层，该过渡层的厚度为10~100μm，齿头和齿身一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿；
所述多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头的钴含量最低，过渡层其次，齿身的钴含量最高；所述多齿头硬质合金复合柱齿的齿头中碳化后的球形铸造碳化钨的形貌仍呈球形。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1.上述方案中，齿身原料采用常规碳化钨粉、钴粉与石蜡成型剂或聚乙二醇成型剂，为传统硬质合金原料常规配方，其目的为保持齿身的高韧性。
2.上述方案中，齿头包括以下重量含量的组分：10~20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、1~7wt%的蜡基复合成型剂，余量为所述齿身原料，即控制齿头中碳化钨-钴混合料用量为主，碳化后的球形铸造碳化钨颗粒用量为辅。控制碳化后的球形铸造碳化钨颗粒含量为10~20wt%，高于10wt%目的为发挥球形铸造碳化钨本身的高硬度和高耐磨性，以球形铸造碳化钨为耐磨增强硬质相，在碳化钨-钴合金中起到耐磨强化的作用，从而提高齿头的耐磨性，低于20wt%目的为减弱球形铸造碳化钨对齿头韧性的影响，若含量高于20wt%，则本发明齿头的韧性比传统硬质合金的韧性低。虽然球形铸造碳化钨本身韧性没有碳化钨高，并且齿头钴含量更低，理论上齿头的韧性与传统的硬质合金柱齿的齿头相比，其韧性应该降低。但是球形铸造碳化钨的球形结构可以避免引起应力集中且对裂纹扩展有阻挡作用，从而提高齿头复合硬质合金的韧性，并且控制球形铸造碳化钨用量，所以本发明制得的齿头和传统硬质合金的齿头相比，韧性基本保持不变，本发明的齿头可以具有一定的厚度，增强耐磨性，延长柱齿的使用时间。
3.上述方案中，采用捏合机对齿头的原料组分进行物料混合处理，其目的为不破坏球形铸造碳化钨的球形形貌。传统硬质合金粉料混合采用的是球磨工艺，即采用球磨机对粉料进行湿磨，球磨机不仅可以将原材料混合，而且也会对物料进行研磨破碎，本发明需要保持球形铸造碳化钨的球形形貌，所以采用捏合机对物料进行捏合。捏合机通常用于高粘度、弹塑性物料的捏合、混炼、硫化、聚合，如硅橡胶、密封胶、热熔胶、食品胶基、医药制剂等。本领域技术人员通常不会用捏合机来对硬质合金原料混合，因为球形铸造碳化钨颗粒在捏合过程中会趋向容器底部，捏合过程很难使硬质合金原料混合均匀。为解决此问题，尝试添加硬质合金领域常用的石蜡成型剂或聚乙二醇成型剂来提高塑性，但是原料的塑性和粘度仍不够，物料仍不能充分混匀。后经过深入的研究和大量实验，在硬质合金原料中添加蜡基复合成型剂，不仅可以提高硬质合金原料的塑性，使其混合均匀，并且在成型时能提高物料的流变性，压坯缺陷少，强度高，且易于脱除，无有害分解、残留物。
4.上述方案中，对球形铸造碳化钨颗粒进行渗碳处理是现有技术，并且此技术不是本发明的创新点，所以在本发明中没有赘述，本领域技术人员根据现有技术是能够实现的。有机溶剂为酒精、正己烷中的至少一种，这是本领域公知常识。
5.上述方案中，所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒的球面碳化生成1~10μm厚的碳化钨层，内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织。所述多齿头硬质合金复合柱齿的齿头中球形铸造碳化钨的形貌仍呈球形。碳化处理的目的为将球形铸造碳化钨球面的碳化二钨转化成碳化钨，既提高与钴的结合力，也能提高球形铸造碳化钨球面的含碳量，避免在后续烧结过程中与钴形成缺碳脆性相，从而提高韧性。由于球形铸造碳化钨是碳化钨和碳化二钨的共晶体，所以其含碳量比常规碳化钨的低，所以在烧结过程中球形铸造碳化钨与钴会形成缺碳η相，这种缺碳相是脆性相，容易导致合金强韧性等物理机械性能的降低。另外，控制其内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织，其目的为维持球形铸造碳化钨本身的高耐磨性和高硬度，提高齿头的硬度和耐磨性。多齿头硬质合金复合柱齿的齿头中球形铸造碳化钨的形貌仍呈球形，球形结构可以避免齿头复合硬质合金中的应力集中且对裂纹扩展有阻挡作用，提高齿头复合硬质合金的韧性，延长了齿头的使用寿命，从而延长钻头使用寿命。
6.上述方案中，蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：65~90wt%的微晶蜡、8~33wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、1~5wt%的三乙醇胺油酸酯。微晶蜡使碳化钨粉、球形铸造碳化钨颗粒和粘结相钴粉混合后有良好的流动性能和较低的粘度。聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡的混合物起骨架作用，维持成型后坯体的形状，且两者熔点不一样，在后续成型剂脱除过程中，两者先后分解，能一直维持坯体的形状。且控制其用量，若量多则后续成型过程中不容易脱除彻底，影响合金性能；若量少，则降低骨架强度，坯体容易变形。三乙醇胺油酸酯起表面活性剂作用，三乙醇胺油酸酯通过在碳化钨和球形铸造碳化钨表面上的吸附，降低其和钴粉之间的界面能，改善其润湿性，促进相互结合，提高后续成型产品的性能。
7.上述方案中，对常规碳化钨粉、钴粉与石蜡成型剂或聚乙二醇成型剂进行湿磨、干燥制粒处理是本领域常规手段，不是本发明的创新点，所以本发明没有进行赘述，本领域技术人员根据现有技术是可以实现的。
8.上述方案中，共注射成型是指用两个或两个以上注射单元的注射成型机，将不同的品种原料同时或先后注入模具的成型方法。本发明先注射齿头原料，再注射齿身原料。其目的为防止齿头原料中球形铸造碳化钨颗粒移动到齿身原料中，影响齿身的韧性。共注射成型组合模具通过模具部件间的相对动作将多齿头柱齿软坯取出。采用此方法解决了采用传统模压方法齿头成型性不好和成型软坯无法脱模的技术问题。
9.上述方案中，烧结过程中，所述齿头和齿身的结合界面发生冶金反应，形成过渡层，该过渡层厚度为10~100μm，齿头和齿身一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿。复合柱齿的齿头部分，球形铸造碳化钨和碳化钨为硬质相，钴为粘结相，且该球形铸造碳化钨的表面经碳化后和钴的结合力与普通碳化钨和钴的结合力一样。复合柱齿的齿身部分材料和常规的硬质合金一样，碳化钨为硬质相，钴为粘结相，并且齿身部分的原料为齿头部分原料的一部分，所以更容易形成过渡层，提高复合柱齿的韧性，金刚石复合片和硬质合金基体不能形成过渡层，所以金刚石-硬质合金复合柱齿的韧性较低，金刚石复合片不能做厚。烧结过程中，熔融钴发生液相迁移，钴含量呈梯度分布，齿头钴含量最低，过渡层其次，齿身钴含量最高。过渡层的形成使齿头和齿身自然过渡、融为一体，结合强度高，能防止复合柱齿在齿头和齿身结合处发生断裂，较好的改善了复合柱齿的内应力，提高复合柱齿的韧性，延长其使用寿命。
10.上述方案中，所述多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头的钴含量最低，过渡层其次，齿身的钴含量最高。齿头的钴含量低于齿身，齿身采用的是传统硬质合金配方，即齿头的钴含量低于传统硬质合金的钴含量，提高了齿头的硬度和耐磨性。
11.上述方案中，将硬质合金复合柱齿在高度方向上设计成齿头部和齿身部，所述齿头部包括2~3个齿头，所述齿头呈轴对称分布，所述齿身部包括一个齿身。常规的硬质合金柱齿，无论有无复合结构，一直以来都是采用单齿头，若设计成多齿头，齿头成型性不好，另外所得软坯无法顺利脱模，所以本领域技术人员不会采用多齿头。模压成型的脱模方式分为：顶出脱模、下拉脱模和预载脱模，但是由于多齿头整体的宽度超过齿身的宽度，所以这三种方式都不能顺利脱模。单齿头受力集中，对齿头力学性能要求高，破岩范围有限。本发明采用多齿头结构，齿头表面均可以作为工作区域，增大与岩石的接触面积，提高了散热效率，降低了柱齿的热疲劳，提高了柱齿的耐磨性，同时提高了钻进速度，延长了柱齿的使用寿命，同时多齿头与单齿头比，破岩接触点由一个增加到了多个，提高了破岩效率和钻进速度。此外，要保持一定的钻掘速度，则要求一定的总露齿，但是单个齿头的露齿有限，即靠柱齿伸到岩石里去破岩的能力有限。多齿头在同样露高情况下，增大与岩石的接触面积，增加破岩效率，则可以提高钻掘速度。采用2~3个齿头目的为维持一定的齿高，即让齿头具有一定厚度。
12.上述方案中，所述常规碳化钨粉的粒度为1~10μm。
13.上述方案中，所述球形铸造碳化钨颗粒的粒度为20~150μm，显微硬度HV0.1>3000。若球形铸造碳化钨颗粒的粒度太大则其组织缺陷较多，共晶组织结构不均匀，致密性不好，会导致韧性降低；若粒度太小在渗碳后球形铸造碳化钨共晶组织少，硬度下降，耐磨增强效果不明显。
14.上述方案中，所述齿头包括以下重量含量的组分：20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、5wt%的蜡基复合成型剂，余量为齿身原料，该齿身原料的钴含量为8wt%。
15.上述方案中，所述蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：70wt%的微晶蜡、28wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、2wt%的三乙醇胺油酸酯；其中聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物包括50wt%的聚乙烯醇缩丁醛和50wt%的聚乙烯蜡。
16.上述方案中，选用共注射成型处理方法制备复合结构的柱齿软坯，控制喂料温度110℃，注射压力为150MPa，保压压力为120MPa，保压时间为2~4s；再在100℃温度下进行催化脱脂处理，脱除成型剂。
17.上述方案中，步骤三在氩气气氛下，对步骤二制得的复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，控制氩气压力为5MPa，烧结温度为1450℃，保温时间为60min。
18.上述方案中，步骤二中催化脱脂处理脱除成型剂，所脱除的成型剂包括齿头原料中的成型剂和齿身原料中的成型剂。
为达到上述目的，本发明采用的多齿头硬质合金复合柱齿技术方案是：按照上述多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法制备得到的多齿头硬质合金复合柱齿。
上述多齿头硬质合金复合柱齿的技术方案中的有关内容解释如下：
1.上述方案中，相邻两所述齿头的中心轴夹角为105~135º。
2.上述方案中，所述齿头为球型齿头。本方案的齿头还可以为锥型齿头、弹型齿头、楔型齿头，但是球型齿头的耐磨性更好。
本发明工作原理是：为解决现有硬质合金柱齿不能同时兼顾耐磨性和韧性的问题，本发明的齿头和齿身采用不同原料，齿身沿用传统的硬质合金原料，在齿身原料中加入碳化后的球形铸造碳化钨颗粒和蜡基复合成型剂作为齿头原料，控制齿头中碳化钨-钴混合料用量为主，碳化后的球形铸造碳化钨颗粒用量为辅，采用捏合机对齿头的原料组分进行捏合处理。再对齿头原料和齿身原料进行共注射成型处理，得复合结构的柱齿软坯。再进行高温低压烧结，齿头和齿身的结合界面发生冶金反应，形成过渡层，齿头和齿身一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿。多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头的钴含量最低，过渡层其次，齿身的钴含量最高。多齿头硬质合金复合柱齿的齿头中球形铸造碳化钨的形貌仍呈球形。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1.本发明齿头和齿身采用不同的原料，齿身采用传统硬质合金原料常规配方，可以保持齿身的高韧性。齿头原料包括碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、齿身原料和蜡基复合成型剂，并限定各组分用量，其中碳化钨-钴混合料用量为主，碳化后的球形铸造碳化钨颗粒用量为辅。齿头中碳化后的球形铸造碳化钨的球形结构可以避免引起应力集中且对裂纹扩展有阻挡作用，从而提高齿头的韧性。
将球形铸造碳化钨颗粒碳化处理，既提高与钴的结合力，又避免与钴形成缺碳脆性相，从而提高齿头的韧性。碳化后的球形铸造碳化钨内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织，其目的为维持球形铸造碳化钨本身的高硬度和高耐磨性，提高齿头的耐磨性。本发明的齿头可以适用于硬度更高的高研磨性岩石，扩大其破岩范围。
控制碳化后的球形铸造碳化钨颗粒含量为10~20wt%，高于10wt%目的为发挥球形铸造碳化钨本身的高硬度和高耐磨性，提高齿头的耐磨性，低于20wt%目的为减弱球形铸造碳化钨颗粒对齿头韧性的影响，若含量高于20wt%，则本发明齿头的韧性比传统硬质合金制成的齿头的韧性低。
2.本发明烧结过程中，所述齿头和齿身的结合界面发生冶金反应，形成过渡层，该过渡层厚度为10~100μm，齿头和齿身一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿。本发明齿头原料包括齿身原料，所以烧结过程会发生冶金反应，更容易形成过渡层，齿头和齿身自然过渡、融为一体，结合强度高，能防止复合柱齿在齿头和齿身结合处发生断裂，较好的改善了复合柱齿的内应力，提高复合柱齿的韧性。金刚石复合片和硬质合金基体不能形成过渡层，所以金刚石-硬质合金复合柱齿的韧性较低，金刚石复合片不能做厚。
3.本发明虽然本发明齿头中添加了韧性较低的球形铸造碳化钨，但是本发明齿头的韧性和传统硬质合金制成的齿头的韧性相当，所以齿头具有一定厚度，提高了齿头的耐磨性，尤其对于研磨性硬地层显著提高了柱齿的使用寿命。
4.本发明多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头的钴含量最低，过渡层其次，齿身的钴含量最高，齿头的钴含量较低，提高了齿头的硬度和耐磨性。
5. 本发明采用多齿头结构，齿头数量为2~3个，齿头表面均可以作为工作区域，增加了破岩点，增大与岩石的接触面积，提高了散热效率，提高了钻掘速度，同时提高耐磨性，延长柱齿使用寿命。并且采用共注射成型的方法制备柱齿软坯，可一次成型4-8个软坯，通过模具部件间的相对动作将多齿头柱齿软坯脱模取出顺利脱模。
总之，本发明的制备方法操作简单、效率高、可实现大规模量产。通过控制齿头原料中碳化后的球形铸造碳化钨颗粒用量，维持齿头中碳化后的球形铸造碳化钨的球形形貌，齿头和齿身的界面冶金结合形成过渡层，齿头齿身沿用传统硬质合金原料，制得的多齿头硬质合金复合柱齿整体的韧性和传统硬质合金柱齿相当。通过维持碳化后的球形铸造碳化钨颗粒内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织，维持球形铸造碳化钨本身的高硬度和高耐磨性，增加齿头厚度，齿头的钴含量较低，提高了齿头的耐磨性。制得的多齿头硬质合金复合柱齿同时具有高耐磨性、高硬度和高韧性，这种复合结构解决了传统硬质合金硬度和韧性不能同时兼顾的矛盾，延长了多齿头硬质合金复合柱齿使用寿命，从而延长钻头使用寿命，提高钻进效率，降低掘进费用，且扩大了破岩范围。采用多齿头结构，齿头数量为2~3个，齿头表面均可以作为工作区域，增加了破岩点，提高了破岩效率和钻掘速度，增大与岩石的接触面积，降低了柱齿的热疲劳，同时提高耐磨性，尤其对于高研磨性硬地层显著延长柱齿使用寿命和钻进速度。
附图说明
附图1为现有技术金刚石-硬质合金复合柱齿的结构示意图；
附图2为本发明实施例多齿头硬质合金复合柱齿的结构示意图；
附图3为本发明实施例多齿头硬质合金复合柱齿的制备工艺流程图；
附图4为本发明实施例碳化后的球形铸造碳化钨的结构示意图；
附图5为本发明实施例齿头中碳化后的球形铸造碳化钨结构示意图。
以上附图中：1、金刚石复合片；2、齿头；3、齿身；4、过渡层；5、硬质合金基体；6、碳化钨层；7、碳化钨和碳化二钨的共晶组织；8、齿头中碳化后的球形铸造碳化钨。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
本发明实施例1~2多齿头硬质合金复合柱齿为球齿，见附图2，将硬质合金复合柱齿在高度方向上设计成齿头部和齿身部，所述齿头部包括两个齿头2，两个齿头2的中心轴夹角为120º，所述齿身部包括一个齿身3；。
实施例1：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，制备工艺流程见附图3，制备方法包括以下步骤：
步骤一.制备齿身3原料和齿头2原料；
所述齿身3包括以下重量含量的组分：6wt%的钴粉、2wt%的石蜡成型剂，余量为常规碳化钨粉；按重量含量称取各组分，再进行湿磨、干燥制粒处理得所述齿身3原料；所述常规碳化钨粉的粒度为3μm。
所述齿头2包括以下重量含量的组分：10wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、6wt%的蜡基复合成型剂，余量为所述齿身3原料；按重量含量称取各组分，先置于捏合机中进行捏合处理，控制捏合温度为80℃，捏合时间为2h，捏合机转速为35rpm；再冷却制粒，得所述齿头2原料。
其中，所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒由球形铸造碳化钨颗粒在1500℃下进行渗碳处理，再用酒精清洗干燥制得，碳化后的球形铸造碳化钨结构见附图4。球形铸造碳化钨颗粒的粒度为150μm，显微硬度HV0.1为3050。所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒的球面碳化生成6μm厚的碳化钨层6，内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织7。蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：70wt%的微晶蜡、28wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、2wt%的三乙醇胺油酸酯，其中聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物包括50wt%的聚乙烯醇缩丁醛和50wt%的聚乙烯蜡。
步骤二.将所述齿头2原料和齿身3原料通过共注射成型方法分别注入模具获得复合结构的柱齿软坯。
共注射成型处理包括以下步骤：先利用共注射成形机将齿头2原料分别注射到每个齿头2模具腔，每个齿头2模具均具有入料口，再将齿身3原料注射到齿身3模具腔，控制喂料温度110℃，注射压力为150MPa，保压压力为120MPa，保压时间为3s；一次注射成型8个柱齿软坯；再在100℃温度下进行催化脱脂处理，脱除成型剂。
步骤三.在氩气气氛下，对步骤二制得的复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，控制所述惰性气体压力为5MPa，烧结温度为1450℃，保温时间为60min，所述齿头2和齿身3的结合界面发生冶金反应，形成过渡层4，该过渡层4的厚度为80μm，齿头2和齿身3一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿。
所述多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头2的钴含量最低，过渡层4其次，齿身3的钴含量最高；所述多齿头硬质合金复合柱齿的齿头2中碳化后的球形铸造碳化钨8的形貌仍呈球形，见附图5，球形铸造碳化钨与钴结合良好，无缺碳相。制得的多齿头硬质合金复合柱齿与传统单齿头的硬质合金柱齿相比，硬度提高了0.4HRA，耐磨性提高了70%。钻进速度提高了30%，显著提高了钻具的使用寿命和钻进效率。韧性和传统硬质合金柱齿的韧性相当，制得的多齿头硬质合金复合柱齿的断裂韧性为16.9MPa·m1/2。
实施例2：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，制备工艺流程见附图3，制备方法包括以下步骤：
步骤一.制备齿身3原料和齿头2原料；
所述齿身3包括以下重量含量的组分：8wt%的钴粉、2wt%的石蜡成型剂，余量为常规碳化钨粉；按重量含量称取各组分，再进行湿磨、干燥制粒处理得所述齿身3原料；所述常规碳化钨粉的粒度为6μm。
所述齿头2包括以下重量含量的组分：20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、5wt%的蜡基复合成型剂，余量为所述齿身3原料；按重量含量称取各组分，先置于捏合机中进行捏合处理，控制捏合温度为90℃，捏合时间为4h，捏合机转速为25rpm；再冷却制粒，得所述齿头2原料。
其中，所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒由球形铸造碳化钨颗粒在1400℃下进行渗碳处理，再用酒精清洗干燥制得，碳化后的球形铸造碳化钨结构见附图4。球形铸造碳化钨颗粒的粒度为48μm，显微硬度HV0.1为3100。所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒的球面碳化生成5μm厚的碳化钨层6，内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织7。蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：80wt%的微晶蜡、19wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、1wt%的三乙醇胺油酸酯，其中聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物包括50wt%的聚乙烯醇缩丁醛和50wt%的聚乙烯蜡。
步骤二.将所述齿头2原料和齿身3原料通过共注射成型方法分别注入模具获得复合结构的柱齿软坯。
共注射成型处理包括以下步骤：先利用共注射成形机将齿头2原料分别注射到每个齿头2模具腔，每个齿头2模具均具有入料口，再将齿身3原料注射到齿身3模具腔，控制喂料温度110℃，注射压力为150MPa，保压压力为120MPa，保压时间为3s；一次注射成型8个柱齿软坯；再在100℃温度下进行催化脱脂处理，脱除成型剂。
步骤三.在氩气气氛下，对步骤二制得的复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，控制所述惰性气体压力为3MPa，烧结温度为1400℃，保温时间为90min，所述齿头2和齿身3的结合界面发生冶金反应，形成过渡层4，该过渡层4的厚度为60μm，齿头2和齿身3一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿。
所述多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头2的钴含量最低，过渡层4其次，齿身3的钴含量最高；所述多齿头硬质合金复合柱齿的齿头2中碳化后的球形铸造碳化钨8的形貌仍呈球形，见附图5，球形铸造碳化钨与钴结合良好，无缺碳相。制得的多齿头硬质合金复合柱齿与传统硬质合金柱齿相比，硬度提高了0.7HRA，耐磨性提高了80%。韧性和传统单齿头的硬质合金柱齿的韧性相当，制得的多齿头硬质合金复合柱齿的断裂韧性为16.6MPa·m1/2，钻进速度提高40%，显著提高了钻具的使用寿命和钻进效率。
实施例3：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，和实施例1的区别在于所述齿头2包括20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒，其他原材料、工艺参数、步骤等均一样。制得的多齿头硬质合金复合柱齿与传统单齿头的硬质合金柱齿相比，硬度提高了0.7HRA，耐磨性提高了75%。韧性和传统硬质合金柱齿的韧性相当，制得的多齿头硬质合金复合柱齿的断裂韧性为16.4MPa·m1/2，钻进速度提高35%，显著提高了钻具的使用寿命和钻进效率。
对比例1：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，和实施例1的区别在于采用单齿头结构，其他条件均一样，即齿头2原料中添加了碳化后的球形铸造碳化钨颗粒，实施例1制得的两个齿头的硬质合金复合柱齿和对比例2制得的单齿头的硬质合金复合柱齿相比，耐磨性提高了40%，说明原料和加工工艺相同的情况下，多齿头的结构确实能提高耐磨性。
对比例2：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，和实施例1的区别在于齿头2原料和齿身3原料一致，不添加碳化后的球形铸造碳化钨颗粒，即采用传统配方制得硬质合金柱齿其断裂韧性为16.7MPa·m1/2。
对比例3：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，和实施例1的区别在于所述齿头2包括30wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒，其他原材料、工艺参数、步骤等均一样。韧性和传统硬质合金柱齿的韧性相当，制得的多齿头硬质合金复合柱齿的断裂韧性为15.8MPa·m1/2。
对比例4：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，和实施例1的区别在于所述齿头2包括40wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒，其他原材料、工艺参数、步骤等均一样。韧性和传统硬质合金柱齿的韧性相当，制得的多齿头硬质合金复合柱齿的断裂韧性为14.6MPa·m1/2。
对比例5：
一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，和实施例1的区别在于所述齿头2包括50wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒，其他原材料、工艺参数、步骤等均一样。韧性和传统硬质合金柱齿的韧性相当，制得的多齿头硬质合金复合柱齿的断裂韧性为13.4MPa·m1/2。
由实施例1~3以及对比例2~5可以看出，控制齿头中碳化后的球形铸造碳化钨颗粒含量低于20wt%，制得的多齿头硬质合金复合柱齿和传统的硬质合金柱齿韧性相当，当含量高于20wt%，韧性逐渐下降。
针对上述实施例，本发明可能产生的变化或者有关问题说明如下：
1.上述实施例中，多齿头硬质合金复合柱齿为球型齿，本发明不局限于此，多齿头硬质合金复合柱齿还可以为锥型齿头、弹型齿头、楔型齿头，但是球型齿头的耐磨性更好。
2.上述实施例中，多齿头硬质合金复合柱齿的齿头数量为2个，本发明不局限于此，齿头数量还可以为3个。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多齿头硬质合金复合柱齿的制备方法，其特征在于：将硬质合金复合柱齿在高度方向上设计成齿头部和齿身部，所述齿头部包括2~3个齿头（2），所述齿头（2）呈轴对称分布，所述齿身部包括一个齿身（3）；所述制备方法包括以下步骤：
步骤一.制备齿身（3）原料和齿头（2）原料；
所述齿身（3）包括以下重量含量的组分：4~16wt%的钴粉、1~3wt%的石蜡成型剂或聚乙二醇成型剂，余量为常规碳化钨粉；按重量含量称取各组分，再进行湿磨、干燥制粒处理得所述齿身（3）原料；
所述齿头（2）包括以下重量含量的组分：10~20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、1~7wt%的蜡基复合成型剂，余量为所述齿身（3）原料；按重量含量称取各组分，先置于捏合机中进行捏合处理，控制捏合温度为40~100℃，捏合时间为0.5~4h，捏合机转速为25~50rpm；再冷却制粒，得所述齿头（2）原料；
其中，所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒由球形铸造碳化钨颗粒在1300~1700℃下进行渗碳处理，再用有机溶剂清洗干燥制得；所述碳化后的球形铸造碳化钨颗粒的球面碳化生成1~10μm厚的碳化钨层，内部未被碳化仍为碳化钨和碳化二钨的共晶组织；蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：65~90wt%的微晶蜡、8~33wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、1~5wt%的三乙醇胺油酸酯；
步骤二.将所述齿头（2）原料和齿身（3）原料，通过共注射成型方法分别注入模具，获得复合结构的柱齿软坯；包括以下步骤：先利用共注射成形机将齿头（2）原料分别注射到每个齿头（2）模具腔，每个齿头（2）模具均具有入料口，再将齿身（3）原料注射到齿身（3）模具腔；控制喂料温度90~150℃，注射压力为100~200MPa，保压压力为110~150MPa；再在90~150℃温度下进行催化脱脂处理，脱除成型剂；
步骤三.在惰性气体气氛下，对步骤二制得的复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，控制所述惰性气体压力为1~10MPa，烧结温度为1350~1450℃，保温时间为30~120min，所述齿头（2）和齿身（3）的结合界面发生冶金反应，形成过渡层（4），该过渡层（4）的厚度为10~100μm，齿头（2）和齿身（3）一体成型得多齿头硬质合金复合柱齿；
所述多齿头硬质合金复合柱齿中钴含量呈梯度分布，齿头（2）的钴含量最低，过渡层（4）其次，齿身（3）的钴含量最高；所述多齿头硬质合金复合柱齿的齿头（2）中碳化后的球形铸造碳化钨的形貌仍呈球形。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述常规碳化钨粉的粒度为1~10μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：碳化前的球形铸造碳化钨颗粒的粒度为20~150μm，显微硬度HV0.1>3000。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述齿头（2）包括以下重量含量的组分：20wt%的碳化后的球形铸造碳化钨颗粒、5wt%的蜡基复合成型剂，余量为齿身（3）原料，该齿身（3）原料的钴含量为8wt%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述蜡基复合成型剂包括以下重量含量的组分：70wt%的微晶蜡、28wt%的聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物、2wt%的三乙醇胺油酸酯；其中聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯蜡混合物包括50wt%的聚乙烯醇缩丁醛和50wt%的聚乙烯蜡。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：选用共注射成型处理方法制备复合结构的柱齿软坯，控制喂料温度110℃，注射压力为150MPa，保压压力为120MPa，保压时间为2~4s；再在100℃温度下进行催化脱脂处理，脱除成型剂。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三在氩气气氛下，对步骤二制得的复合结构的柱齿软坯进行高温低压烧结，控制氩气压力为5MPa，烧结温度为1450℃，保温时间为60min。
8.根据权利要求1~7中任意一项所述制备方法制备得到的多齿头硬质合金复合柱齿。
9.根据权利要求8所述的多齿头硬质合金复合柱齿，其特征在于：相邻两所述齿头（2）的中心轴夹角为105~135º。
10.根据权利要求8所述的多齿头硬质合金复合柱齿，其特征在于：所述齿头（2）为球型齿头。
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