[发明专利]牙轮钻头梯度复合材料合金齿及其加工方法

权利要求书

1.一种牙轮钻头梯度复合材料合金齿，包括合金齿本体(1)，所述合金齿本体(1)具有一体成型的柱形部分(1.1)和切削部分(1.2)，安装时所述柱形部分(1.1)埋入在牙轮(3)内、所述切削部分(1.2)伸出在牙轮(3)外，其特征在于：所述合金齿本体(1)从横截面上看呈多层由内向外逐渐扩张并紧密结合的年轮结构，它包括芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)，所述芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)的物理硬度逐渐降低，从而在工作时使芯轴部分(1.3)和中间年轮层(1.4)受到来自外圈年轮层(1.5)的残余压应力；所述芯轴部分(1.3)为钴合金百分含量占6％的碳化钨硬质合金，所述中间年轮层(1.4)为钴合金百分含量介于6～25％之间的碳化钨硬质合金，所述外圈年轮层(1.5)为单纯的钴合金，所述中间年轮层(1.4)中钴合金百分含量由内层向外层逐渐递增。

2.根据权利要求1所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述中间年轮层(1.4)设置有1～5层。

3.根据权利要求2所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述中间年轮层(1.4)设置有2～4层。

4.根据权利要求3所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述芯轴部分(1.3)的直径d、所述外圈年轮层(1.5)的直径D和厚度T_外、所述中间年轮层(1.4)厚度T_中为和层数N满足如下数学关系：

d≥0.4D，T_外≥0.15D，T_中＝[(D－d)/2－T_外]/N。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的牙轮钻头梯度复合材料合金齿，其特征在于：所述柱形部分(1.1)呈圆柱形，所述切削部分(1.2)呈锥形、半圆曲面形、或抛物线曲面形。

6.一种权利要求1所述牙轮钻头梯度复合材料合金齿的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)取钴合金粉末和碳化钨粉末的复合材料，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得棒状的芯轴部分(1.3)毛坯和管状的中间年轮层(1.4)毛坯；其中，钴合金粉末在复合材料中的重量百分比不大于25％，芯轴部分(1.3)的钴合金粉末含量低于中间年轮层(1.4)的钴合金粉末含量，有机粘结剂的用量占复合材料重量的5～30％；

2)取单纯的钴合金粉末，与有机粘结剂均匀混合成膏状，经相应模具挤压成型，再固化处理，获得管状的外圈年轮层(1.5)毛坯；其中，有机粘结剂的用量占单纯的钴合金粉末重量的5～30％；

3)将所制得的芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)毛坯依次套装好后，再整体嵌入钢制的细长密封桶(2)中，并在细长密封桶(2)上部焊接好带通气管(2.1)的密封上盖(2.2)；

4)将通气管(2.1)与真空泵连接，并将细长密封桶(2)置于加热炉内缓慢加热到摄氏500度以上；与此同时，开启真空泵经由通气管(2.1)对细长密封桶(2)抽气，使其内的有机粘结剂分解蒸发；

5)当有机粘结剂完全分解蒸发后，压扁通气管(2.1)，并将其与细长密封桶(2)焊接好，使其内腔形成真空状态；

6)对内腔呈真空状态的细长密封桶(2)进行热等静压处理，使其中的芯轴部分(1.3)、中间年轮层(1.4)和外圈年轮层(1.5)毛坯组件在高温高压下进一步结合密实；

7)再通过酸洗或机加工除去细长密封桶(2)，得到具有梯度复合材料年轮结构的棒坯，经切断、磨削加工，最终制得本发明的合金齿本体(1)。