[发明专利]一种多齿头硬质合金复合柱齿及其制备方法

说明书

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。

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