硬质合金复合材料 【技术领域】
本发明涉及硬质合金，进一步是指基体表面有高耐磨性的高硬度颗粒层的硬质合金复合材料。
背景技术
硬质合金以高耐磨性和高刚性著称，这种优良性能使其应用范围涉及很多工业部门，特别在矿山采掘、地质钻探、石油开采、水电工程、隧道掘进等领域，应用硬质合金制造的各类工程钻头，成为了不可取代的产品。由于这些领域在国民经济中占有很重要的份额，潜在着巨大的经济利益，因此国内外一直致力于开发更优良的矿用硬质合金，以制造更耐磨、更高效率的工程钻头。硬质合金主要含WC和Co，矿用硬质合金的通常成份是10％Co，90％WC；降低Co含量，合金的耐磨性提高，但韧性降低，脆性增加，容易使钻头发生碎裂，这是一个长期障碍硬质合金向前发展的壁垒。20世纪末期，世界最著名的硬质合金公司-瑞典山特维克(SANDVIK)取得了技术突破，研究成功一种梯度矿用硬质合金，这种梯度合金是通过原子扩散的工艺，使Co的含量从合金表面到中心部位之间发生连续变化，表面层低Co约3-5％，中心高Co约10％，这就使合金表面层具有很高耐磨性，芯部则保持良好的韧性，从而解决了耐磨性与韧性的矛盾和制约。此项研究，已经成为硬质合金材料领域中一个重大的进展。
从不同途径获得具有更好性能的硬质合金，仍然是应当努力的方向。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术状况，提出一种硬质合金复合材料，具有优良地表面耐磨性和基体材料的韧性，且生产过程易于控制、制造工艺简单、成本低，表面的耐磨颗粒层与基体合金结合良好。
本发明所采用的技术方案是：所述硬质合金复合材料有硬质合金基体，其结构特点是，该硬质合金基体表面复合有颗粒硬度更高且分布均匀的硬质合金颗粒层。
以下做出进一步说明。
本发明采用颗粒硬化的方法，制造复合材料，把一种接近人造金刚石硬度的极硬颗粒均匀地分布在硬质合金表面层，使耐磨性大幅度提高，而硬质合金基体则保持良好的韧性。这种极硬的颗粒，必须与硬质合金基体不产生排斥，形成良好的结合，这就是本发明的创造性所在。即本发明从另一层面，获得了具有梯度功能的硬质合金，即本发明的硬质合金复合材料。
本发明所述硬质合金基体，即实际进行生产的已有技术的工业硬质合金。
生产本发明所述硬质合金复合材料可采用以下两步进行：
第一步，制造一种极硬的硬质合金颗粒。根据硬质合金制造基本原理，在硬质合金成份中极大地降低Co含量，便能获得极高硬质合金。因此，颗粒成分(质量％)采用0-3Co％，97-100％WC，其中WC可以用耐磨性更高的TaC部分或全部取代，一种通常采用的成份是：0.5％Co、98.5％WC、1％TaC，其制造过程与工业硬质合金生产相同，唯一区别是：真空烧结需达1650℃高温；另一种制造方法是采用1500℃热压，两种方法均可。烧结所获得的毛坯，经清洁处理，例如表面磨削，再将毛坯进行冲击破碎，过20目筛，便获得维氏硬度Hv＞2000(通常为Hv＝2000-2500)，接近人造金刚石硬度的硬质合金颗粒。在制造硬质合金合复合材料时，通常采用-60目+100目的粒度范围，硬质合金颗粒的显微结构影响其耐磨性，当晶粒度接近纳米超细组织时，颗粒具有更高的耐磨性；
第二步，硬质合金颗粒复合在硬质合金基体上。所述基体，即实际进行生产的已有工业硬质合金。例如，在制造矿山工具时，便复合在矿用硬质合金基体上，复合过程是通常的粉末冶金过程，现以复合在10％Co、90％WC(均为质量％，后同)的矿用硬质合金基体上，予以说明；其步骤是：在已加入增塑料的10％Co、90％WC混合料中取一定数量的该料(根据生产产品的数量而定)与硬质合金颗粒均匀混合(本发明所述混合料也可以是已有技术中其它混合料)，便制成所谓复合料，在复合料中，硬质合金颗粒和10％Co、90％WC混合料二者的比例，采用如下范围(质量％)：5-50％硬质合金颗粒和50％-95％混合料，通常采用15-20％硬质合金颗粒，80-85％混合料，把复合料和混合料压制在一起，便获得由一层复合料和一层混合料组成的压制毛坯，毛坯经高温烧结便制作成复合层具有很高耐磨性，基体保持高韧性的产品，即本发明的硬质合金复合材料。
本发明和现有技术相比的优点是：
1、发明硬质合金复合材料的耐磨层(即复合层)，可以根据产品要求，任意调节厚度，例如厚度为0.5mm-5mm，以达到产品使用最优的效果；梯度硬质合金，耐磨层的厚度为2mm左右，不能作更大范围调整。
2、本发明硬质合金复合的耐磨层，当调整硬质合金颗粒的浓度≥20％时，其耐磨性优于梯度硬度合金。
3、本复合材料，硬质合金颗粒与硬质合金基体，具有同样的原子键，不产生排斥，结合力十分优良，在使用过程中，经受强烈冲击，颗粒不会脱落，复合层不会破裂，下表给出了测定复合层抗弯强度的数据，数据表明，复合层具有很高的强度，远高于3％Co，97％WC硬质合金(即梯度硬质合金表层成份)的抗弯强度1100Mpa的标准。硬质合金颗粒(质量％) 抗弯强度(Mpa)备注0 23280-即硬质合金基体，成份：10％Co、90％WC。颗粒成份：0.5％Co、98.5％WC、1％TaC。粒度-60+100目10 198715 170520 135725 1250
4、硬质合金复合材料的制造工艺简单、质量稳定，而已有梯度硬质合金的制造工艺较为复杂，重现性和稳定性较差，成本昂贵。
5、在已有梯度硬质合金中，要获得原子扩散的动力，必须首先制造一种非正常组合的合金，即WC相+Co相+脱碳相的三相组织，然后通过外来碳原子的扩散，转变为WC相+Co的正常组织，或WC相+部份脱碳相的不完全正常组织，由于在非正常组织状态下的硬质合金机械性能很差，给梯度硬质合金生产带来了困难，而本发明的硬质合金复合材料，整个生产过程都控制在正常组织下进行。
6、硬质合金复合材料具有梯度硬质合金的功能，但又不是梯度合金，且其应用范围更为广泛，不局限在矿用硬质合金领域。
本发明硬质合金复合材料的金相组织示于图1和图2，图中显示了硬质合金颗粒在基体中的分布，以及颗粒与基体良好的结合。
【附图说明】
图1是本发明的硬质合金颗粒均匀分布在硬质合金基体表层中的金相照片(X30)；
图2是显示硬质合金颗粒与硬质合金基体结合良好的金相照片(X100)；
图3是一种实施例工件(产品)局部剖视结构示意图，其中：
1——硬质合金颗粒层，2——硬质合金基体。
【具体实施方式】
实施例1：采用硬质合金复合材料制造一种应用于石油开采的三牙轮钻头硬质合金球齿，球齿尺寸如图3，球面为破岩工作面，圆柱体为连接部位。采用的硬质合金颗粒成份为0.5％Co、98.5％WC，1％TaC，压制毛坯经1650℃真空烧结，并破碎制备为-60目+100目颗粒，颗粒按15％的重量份额与85％的成份为10％Co、90％WC的硬质合金混合料均匀混合，便制得含硬质合金颗粒的复合料。该球齿的压制方向球面朝下，压制单重为39g，按复合厚度3mm计算，压制时首先加入复合料9g，然后再加入10％Co、90％WC混合料30g进行压制，由于模具模壁的阻力作用，压制时粉末流动成弧线形，因而使复合层沿球面均匀分布，压制毛坯经1400℃真空烧结便获得复合硬质合金球齿。
实施例2：本实施例与实施例1除硬质合金颗粒成份区别外其余相同，本例采用的硬质合金颗粒成份为0.6％Co、0.4％Cr3C2，99％WC，采用1500℃热压制成，原始WC粉末的费氏粒度Fsss0.6μm，制备的硬质合金颗粒为接近纳米的超细组织，因而复合硬质合金球齿具有更高的耐磨性。