[发明专利]碳纳米管－金刚石－硬质合金复合材料及其制法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管增强的金刚石-硬质合金复合材料。其为高强度、高耐磨性复合材料。

背景技术

冲击式凿岩方法由于具有高效低耗的特点，广泛地运用于采矿、地质、水电、交通、建材等部门，成为钻掘工程的主要破岩手段。但传统的硬质合金凿岩工具耐磨性较差，特别是在钻进坚硬岩石层时，效率较低，且钻孔容易产生“缩径”。调查显示，由于硬质合金柱齿的磨损而使钻头的报废比率高达40％，且岩石越硬，这一比率越高。人们尝试将金刚石的高耐磨性与硬质合金的高强度结合在一起，制成耐磨抗冲击的金刚石复合材料，以提高钻头、钎头(潜孔锤钻头)寿命及钻进效率。但金刚石的加入导致了金刚石-硬质合金复合材料强度、韧性急剧降低，使金刚石-硬质合金复合材料还难以在钻掘工程中得到实际应用，其中金刚石分布区域是复合材料的主要强度薄弱区、裂纹开始区，

依据纤维增强理论，采用碳纳米管增强金刚石-硬质合金复合材料，大幅度提高其强度、韧性，并提高硬度。碳纳米管增强金刚石-硬质合金复合材料，既有纤维增强理论常规的裂纹桥联、裂纹偏转、拔出效应等机理，亦有其特殊的一面。(1)从材料力学来看，金刚石是导致金刚石-硬质合金复合材料强度、韧性低的主要原因，碳纳米管跨越金刚右薄弱区，即能起到增强作用。(2)从断裂力学来看，碳纳米管横跨金刚石所引起的裂纹尖端，能减弱尖端裂纹扩展，提高断裂韧性。(3)从空间结构上看，碳纳米管在空间内的搭接、交叉、联络、分散成类似立体网状；碳纳米管的管状结构、很大的长细比，利于与粘接剂结合，且碳纳米管的高强性能，使其在烧结体内成为一个高强部分。

发明内容

一种碳纳米管增强的金刚石-硬质合金复合材料：通过热压或等离子电火花等烧结工艺制造而成，该材料为高强度、高耐磨性复合材料。利用纤维增强理论，加入适量碳纳米管，大幅度提高金刚石-硬质合金复合材料的强度、韧性，提高幅度24.9％以上，并提高了硬度，提高幅度5.1％以上。该碳纳米管-金刚石-硬质合金复合材料作为超硬部分用以制造各类矿山、油田钻头用硬质合金齿，及其它类型耐磨构件。常规的金刚石-硬质合金复合齿，是以硬质合金作为柱体基体，以金刚石-硬质合金复合材料作为超硬冠部，因二者之间的强度、韧性差异较大，常产生超硬冠部脱层、掉帽等现象。本发明材料应用于钻头齿的制造：根据生产需要，确定对齿的性能要求，然后通过对金刚石浓度与复合材料性能之间的关系、金刚石与碳化钨粒度之比与复合材料性能之间的关系、纤维增韧作用、超硬部分与柱体部分之间的含钴量差异及二部分之间的弧面(球冠面)界面设计等手段，使超硬部分与柱体基体之间的强度、韧性基本接近，克服了脱层、掉帽等难题。

具体实施方式

该复合材料的制造方法：在制造含金刚石的各类硬质合金复合材料时，加入质量分数不超过0.6％的碳纳米管，采用热压(或等离子电火花)烧结工艺，生产出碳纳米管增强金刚石/硬质合金类复合材料。

配方：质量分数0.1％-0.5％碳纳米管，金刚石浓度≥30％，粘结剂3％-25％(采用热压烧结时，粘结剂为钴+镍+磷，钴∶镍∶磷＝8∶3∶0.5；采用等离子电火花烧结时，粘结剂为钴)，其余为碳化钨。

制造工艺(1)先将碳纳米管纯化、分散；(2)再将碳纳米管、金刚石、碳化钨粉料、钴粉、镍粉、磷等充分混和均匀(采用等离子电火花烧结时，将碳纳米管、金刚石、碳化钨粉料、钴粉等充分混和均匀)；(3)然后将混和好的粉料装于模具内进行烧结，热压烧结工艺参数为：烧结温度1030-1060℃，烧结压力20-55MPa，保温保压时间3-5分钟。等离子电火花烧结工艺参数为：烧结温度≤1200℃，烧结压力≤55MPa，保温保压时间≥3分钟。

在制造各类矿山、油田钻头用硬质合金齿时，将碳纳米管增强金刚石-硬质合金复合材料作为超硬冠部，用于钻凿岩石。