[发明专利]一种YA类梯度硬质合金材料及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种PDC衬底用YA类梯度硬质合金材料及其制备方法和用途，所述梯度硬质合金材料的表层无立方相，内部含立方相。该梯度硬质合金材料由一种组合物制得，该组合物包括金属粘结剂、难熔碳化物、ZrN粉和WC粉。本发明通过引入微量ZrN，利用元素之间的热力学耦合作用通过传输扩散机制，制备得到表层无立方相、内部含立方相的梯度硬质合金。所得梯度硬质合金的表层的抗裂纹扩展能力和断裂韧性得到提升，该梯度硬质合金作为PDC衬底，可以抵抗界面裂纹扩展，延长PDC使用寿命。本发明的表层无立方相的梯度结构提高了YA类硬质合金的断裂韧性，尤其是表层的抗裂纹扩展能力，且梯度结构在硬质合金烧结过程中原位形成，不增加额外工序。

技术领域

本发明属于硬质合金材料领域，涉及一种硬质合金材料，具体涉及一种YA类梯度硬质合金材料及其制备方法和用途。

背景技术

聚晶金刚石-硬质合金复合片(简称PDC)是采用金刚石微粉与硬质合金衬底为原料，在超高压高温条件下烧结而成的复合超硬材料，它既具有金刚石的硬度与耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是一种卓越的切削工具与耐磨工具材料，主要应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采钻头、金属与非金属切削刀具、木材加工刀具等行业。

但是，作为衬底的硬质合金与聚晶金刚石的热膨胀系数及弹性模量等物性参数存在差异。硬质合金热膨胀系数为5.9×10^-6/K，弹性模量为545GPa；聚晶金刚石热膨胀系数为2.4×10^-6/K，弹性模量为850GPa。由于物性参数差异造成PDC合成冷却过程中，硬质合金和聚晶金刚石收缩量不一致从而引起PDC较大的界面残余应力，该残余应力导致界面裂纹形成。PDC在使用过程中，受冲击力时界面裂纹向衬底硬质合金扩展，导致PDC突然崩刃。比如采用YA类硬质合金(W-Ta/Nb-Co类硬质合金)做PDC衬底材料的时候，尽管该类硬质合金具有较高的硬度、耐磨性和抗氧化能力，但是其断裂韧性不足，也就是对外界载荷条件下表层裂纹的萌生和扩展的抵抗能力不足，导致受较大冲击载荷时硬质合金破裂进而引起PDC崩刃报废。

目前，提高硬质合金断裂韧性尤其是提高表层断裂韧性的方法主要包括喷丸处理、晶须增韧与激光加工结合的方法、晶粒纳米化等。公开号为CN101657551A的发明专利提供了一种提高钻头的硬质合金刀刃的边缘层的断裂韧性的方法，实际上是一种喷丸处理的方法。该方法借助一种机械表面的能量输入对已做好外形的硬质合金刀刃至少一个局部区域进行处理，处理是采用大量具有6mm直径的无尖棱的工具，以定量调节的固有动量对准硬质合金刀刃至少一个局部区域同时在局部区域的边缘层上做变形功，将局部塑性变形引入到边缘层中同时避免在硬质合金刀刃的处理过程中局部区域的边缘层内形成裂纹。

申请公布号为CN108411227A的发明专利公开了一种硬质合金表面微结构的晶须增韧加工方法，该方法首先是对加工的复合材料进行成型烧结，形成带有晶须的硬质合金材料，其次，采用激光加工和冷却方式结合对硬质合金材料的表面微结构进行加工，并通过控制激光加工的参数使得微结构附近的组织产生晶须或使原有的晶须增长，以保证硬质合金材料表面微结构的性能。Xie等的论文报道以纳米级的WC-Co粉末为原料、采用放电等离子烧结技术制备了平均晶粒尺寸约为65nm的硬质合金，该硬质合金的断裂韧性K_IC可达14.5±0.5MPam^1/2。(Xie H,Song X,Yin F,et al.Effect of WC/Co coherency phaseboundaries on Fracture toughness of the nanocrystalline cemented carbides[J].Scientific Reports,2016,6:31047.)。

但是，由于纳米粉末比表面积大、表面能高，颗粒表面极容易吸附氧和化合氧，致使烧结时硬质相和粘结剂的润湿性降低从而阻碍烧结致密化，导致合金强度降低，因此纳米化颗粒增强断裂韧性的方法全程需要与氧隔离的条件且原料粉末制备困难。喷丸处理、晶须增韧与激光加工结合法等方法虽然可以提高表层断裂韧性，但是这些方法是在硬质合金制备后增加了一道工序，因此增加了制备工序的复杂性，不利于产品的稳定化。