[发明专利]一种金刚石夹心式硬质合金矿山凿岩刀片制备技术

说明书

技术领域

本发明属于金属材料中硬质合金矿山工具合金的制备技术领域，特别是提供了一种新的用人造金刚石夹心技术，在常规硬质合金矿山钻头刀片的工作截面内，均匀地深段的高压机械嵌入人造金刚石颗粒，并经高温钎焊加固，制备成一种钻进速度和耐磨性能极佳的新型硬质合金矿山凿岩刀片。这种技术适合于工业化大规模生产，便于推广使用，市场前景十分广阔。 

背景技术

我国是硬质合金生产大国，每年产量超过8000吨。我国钨矿资源十分丰富，占世界首位，每年在矿山工具方面消耗的硬质合金约超过1500吨。随着国民经济不断发展，在铁路、公路、矿山。煤矿及房地产等行业，大量需要硬质合金矿山钻头刀片。我国自1952年开始大量生产并拥有世界最大规模的生产基地。无论生产品种、型号及合金性能上一直处于世界一流水平。但就矿山钻头刀片来说，无论是国内或国外各家产品，除在合金成分和尺寸上有些改变外，其他方面均未改变，因此6Q多年来矿山钻头的钻进速度和耐磨寿命一直是人们期盼提高和改进的问题。由于这种钻头刀片使用的条件往往是在十分寒冷潮湿及炎热，而且通风、排尘十分恶劣的地下和山洞条件下，显然无论何人都希望钻头刀片的切削钻进速度越快，耐磨寿命越高，越好。但遗憾的是60多年来钻头刀片的性能没有多少变化。这主要是由于硬质合金中采用的硬质相为(WC)碳化钨相，其维氏硬度为Hv＝1780(kg/mm²)。但是，实际矿山需要凿岩的石材中，往往含有很多比WC还硬的颗粒，如金刚石、Al₂O₃、NbC、VC、TiC、Z_rC、H_fC、及很多复合陶瓷颗粒。这些颗粒的维氏硬度Hv，金刚石＝6800(kg/mm²)，Al₂O₃＝2800(kg/mm ²)，NbC＝1961(kg/mm²)，VC＝2094(kg/mm²)，TiC＝3200(kg/mm²)，Z_rC＝2925(kg/mm²)，H_fC＝2915(kg/mm²)等，远比WC硬度高，因此仅靠硬质合金中WC的高硬度进行切削岩石是有限的，它只能在岩石的莫氏硬度为6级以下时(金刚石为10级)才能很好的进行切削工作。但实际上，由于岩石的脆性较大，材料工作者很早就想到在钻头工作时可利用强大的撞击力，先将岩石表面撞裂然后再进行切削。事实上为了适应抗冲击力的使用条件，在生产合金时特地选用了粗颗粒(平均粒径20～30um)的WC粉，形成了一种特有的耐冲击性很好的YG11C，牌号的硬质合金，尽管如此，地质工作者和矿山工作者仍希望在钻头合金材料上能有更新的突破。 

众所周知，金刚石是自然界中硬度最高(Hv＝6800kg/mm²)的物质，80年代后期我国人造金刚石产量已跃居世界第二位，目前已居第一位。80多年来人们就希望用金刚石材料做成矿山用的钻头刀片，世界各国均作了大量的研究工作，除了在钻具(如钻杆和钻头的外形尺寸，形状，空心结构等)上进行了大量改进外，在使用金刚石材料上也作了大量的研究，主要是采用低熔点金属和合金(铜、锌、锡、银、铅等)对金刚石颗粒(混合粉热压工艺)孕镶技术和大颗粒金刚石的(表面镶嵌焊接工艺)表镶技术。上述两种技术也有多年的生产经验。特别是用孕镶技术大量生产用于各种陶瓷、玻璃、硅单晶、水泥、砖石等的金刚石切割片或大理石切割，研磨工具等。表镶技术很早也被用于制造地质钻头和石油钻头。但是近100多年的研究表明，没有任何一种液态金属能够完全浸润(浸润角为零)金刚石表面。这实际上 说，没有任何一种低溶点(＜1000℃)的金属或合金能够作为金刚石的焊接金属。因此上述的孕镶和表镶技术，实质上并不是把金刚石焊接在合金内，只不过是在高温下用已经柔软的低熔点金属将金刚石颗粒，机械式的包镶起来。这样从材料结构上看就会出现致命的弱点： 

1、低熔点金属和合金(一般硬度，强度均低、易变形)不能对金刚石颗粒提供大负荷的三维高强度的刚性支撑，又没有很强的焊接介面，在切削工作时金刚石颗粒很易脱落，故只能在高速条件下，尽量利用和发挥金刚石的动能切削能力较为合适。正因如此，势必要求切削工具的速度必然是高速。一般线速度＞50米/秒 

2、金刚石工具必须在水冷或强风冷条件下才能工作，否则因低熔点金属很快升温软化而失去包镶和硬支撑条件，金刚石很快脱落。