本發(fā)明涉及合金材料技術領域，尤其涉及一種硬質合金復合材料、其制備方法及應用。

背景技術：

現(xiàn)代工業(yè)生產中，許多工程機械、設備及構件所處的工作條件十分惡劣，如高溫、高速、強烈沖擊、高酸堿等，磨損與腐蝕造成的機械零部件損傷不斷加大。采用普通材料已經難以滿足惡劣工作環(huán)境對材料性能的特殊要求。而采用性能較好的硬質合金材料，由于其是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝制成的，燒結溫度一般為1400～1450℃，對設備性能要求高，同時高的能耗造成高的成本，因此存在著制作難度大、生產成本高等一系列問題，特別是大型工件更為突出。

目前一般是在機械零部件表面復合硬面材料層或合金復合材料，解決上述問題。其中，硬面材料是用于強化工件表面的粉末或塊狀材料，使工件表面的硬度提高，耐磨耐蝕性增強。對于一些極端惡劣工況或者一些需要超高耐磨耐腐等性能的零部件而言，例如鉆井工具中的TC軸承(又稱硬質合金徑向軸承)、穩(wěn)定器(又稱扶正器)等部件，將對其硬面材料的機械性能提出更高的要求。

TC軸承或穩(wěn)定器等部件的硬面層中除了使用粉體硬面材料外，還使用了硬質合金塊(或片)，用以加強其耐磨損、耐腐蝕及抗沖擊韌性。因此硬面層中的硬質合金塊(或片)的性能也將影響著TC軸承或穩(wěn)定器等待焊工件的使用壽命以及機械性能。

現(xiàn)有技術中，所述硬質合金塊(或片)一般是由碳化鎢、鈷兩種材料組成，其燒結溫度需要達到1400～1450℃，對設備性能要求高，需較高的能耗，進而增加了成本投入。

還有在所述硬質合金塊(或片)中添加金剛石粉末的技術方案，現(xiàn)有的金剛石粉末-WC-Co復合材料有三種：一種是在WC-Co硬質合金基底上采用高溫高壓的方法將金剛石粉末壓制在WC-Co硬質合金上，即PDC復合片(聚晶金剛石復合片)；該方法對設備性能要求高，需要昂貴的高壓設備以及高的能耗，同時該材料耐沖擊性能較差，在用于油田鉆井時容易失效。另一種是將金剛石薄膜采用低壓CVD(化學氣相沉積)的方法沉積在WC-Co硬質合金基底上；該方法因為Co對金剛石有催石墨化的作用，需要在WC-Co硬質合金基底和金剛石薄膜增加復雜的過渡層，以增強金剛石薄膜和WC-Co硬質合金基底間的附著，同時該材料耐沖擊性能也較差且沉積層厚度很薄。第三種是將金剛石厚膜或大顆粒焊接在WC-Co硬質合金基底上；這種方法雖然簡單，但金剛石厚膜或大顆粒與WC-Co硬質合金基底的附著性能差，使用壽命短。

另外，現(xiàn)有技術中，所述硬質合金塊(或片)一般采用膠粘或者點焊的方式與鋼件基體結合。其中膠粘適用于燒結浸滲工藝，這種工藝的缺點是，硬質合金塊(或片)與鋼件結合不牢固，且填料中會存在很多孔隙，同時燒結浸滲的持續(xù)高溫會對鋼件基體的內部組織產生很大影響，比如晶粒長大的過熱組織，最終造成鋼件基體的強度低且不耐磨等。另外一種點焊方式適用于噴焊或者堆焊工藝。而噴焊的工藝因焊槍的火焰溫度不高，焊料由于受熱不均，易造成焊料孔隙率高，同時與鋼件基體不能很好的結合，最終會造成焊料或硬質合金塊(或片)磨損甚至脫落，最終造成工件的耐磨性等機械性能降低。且噴焊僅僅適用于鋼件基體外圓表面的硬面處理，無法滿足內壁也需要做硬面處理的工藝需求。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種硬質合金復合材料、其制備方法及應用，該材料低溫燒結即可得到，同時可以提高硬質合金塊或硬質合金片的耐磨性能。

本發(fā)明提供了一種硬質合金復合材料，包括：

碳化鎢，鈷，鎳，磷和表面包覆鎢層的金剛石粉末。

優(yōu)選的，所述的硬質合金復合材料包括：

余量的表面包覆鎢層的金剛石粉末。

優(yōu)選的，所述硬質合金復合材料的液相共晶溫度點為850℃～950℃。

優(yōu)選的，所述硬質合金復合材料的燒結溫度為1050℃～1200℃。

優(yōu)選的，所述表面包覆鎢層的金剛石粉末的粒徑為30μm～50μm。

本發(fā)明還提供了一種上述硬質合金復合材料的制備方法，包括：

A)將碳化鎢、鈷、鎳和磷按照質量比混合、球磨并干燥后，與表面包覆鎢層的金剛石粉末混合，得到硬質合金復合材料粉末；

B)所述硬質合金復合材料粉末經壓制、燒結，得到硬質合金復合材料。

優(yōu)選的，所述燒結的溫度為1050℃～1200℃。

本發(fā)明還提供了一種上述硬質合金復合材料或上述制備方法制備的硬質合金復合材料在制備耐磨零件中的應用。

優(yōu)選的，所述硬質合金復合材料為硬質合金塊或硬質合金片，應用于TC軸承、穩(wěn)定器的硬面處理。

優(yōu)選的，所述硬質合金塊或硬質合金片通過等離子堆焊工藝與鋼件基體形成冶金結合。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了一種硬質合金復合材料，包括：碳化鎢，鈷，鎳，磷和表面包覆鎢層的金剛石粉末。本發(fā)明在所述硬質合金復合材料中添加了磷和鎳，以及表面包覆鎢層的金剛石粉末，大大降低了硬質合金的液相共晶溫度和燒結溫度，實現(xiàn)了硬質合金材料的低溫燒結，而較低的燒結溫度很好地避免了金剛石的碳化，有效的保留其耐磨性能，進而大大提高了材料的耐磨性。實驗結果表明，本發(fā)明提供的硬質合金復合材料的液相共晶溫度點為850℃～950℃，燒結溫度為1050℃～1200℃。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種硬質合金復合材料，包括：

碳化鎢，鈷，鎳，磷和表面包覆鎢層的金剛石粉末。

本發(fā)明在所述硬質合金復合材料中添加了磷和鎳，以及表面包覆鎢層的金剛石粉末，大大降低了硬質合金的液相共晶溫度和燒結溫度，實現(xiàn)了硬質合金材料的低溫燒結，而較低的燒結溫度很好地避免了金剛石的碳化，有效的保留其耐磨性能，進而大大提高了材料的耐磨性。實驗結果表明，本發(fā)明提供的硬質合金復合材料的液相共晶溫度點為850℃～950℃，燒結溫度為1050℃～1200℃。

本發(fā)明提供的硬質合金復合材料包括：

碳化鎢，所述碳化鎢的含量優(yōu)選為60wt％～68wt％，更優(yōu)選為61wt％～67wt％。

鈷，所述鈷優(yōu)選為鈷粉，所述鈷的含量優(yōu)選為7wt％～8wt％，更優(yōu)選為7.2wt％～7.8wt％。

鎳，所述鎳優(yōu)選為鎳粉，所述鎳的含量優(yōu)選為3wt％～4wt％，更優(yōu)選為3.2wt％～3.8wt％。

磷，所述磷優(yōu)選為磷粉，所述磷的含量優(yōu)選為0.2wt％～0.3wt％，更優(yōu)選為0.22wt％～0.28wt％。

和余量的表面包覆鎢層的金剛石粉末。

本發(fā)明中，所述金剛石粉末表面包覆鎢層。所述鎢層優(yōu)選通過鍍覆的方法包覆于金剛石粉末表面，本發(fā)明對所述鍍覆鎢層的方法并無特殊限定，可以為本領域技術人員熟知的化學鍍覆方法。

所述表面包覆鎢層的金剛石粉末的粒徑優(yōu)選為30μm～50μm。

所述鎢層的厚度優(yōu)選為5-10μm。

上述磷和鎳，以及表面包覆鎢層的金剛石粉末，大大降低了硬質合金的液相共晶溫度和燒結溫度，液相共晶溫度可以降低至850℃～950℃，燒結溫度可以降低至1050℃～1200℃，實現(xiàn)了硬質合金材料的低溫燒結致密化。同時在保留其較高的抗沖擊韌性的同時，提高了其耐磨損、耐腐蝕的性能。在節(jié)約成本投入的同時，提高了硬質合金復合材料的性能，作為硬質合金塊或硬質合金片應用于TC軸承、穩(wěn)定器的硬面處理時，進一步提高了TC軸承、穩(wěn)定器等需要做特殊硬面處理的鋼件的性能及使用壽命，減少鉆井作業(yè)過程中零部件的更換頻率，節(jié)約成本投入的同時能夠提高作業(yè)效率。同時較低的燒結溫度還降低了能耗，減少了設備的損耗，節(jié)約了設備維修成本。

本發(fā)明還提供了上述硬質合金復合材料的制備方法，包括：

A)將碳化鎢、鈷、鎳和磷按照質量比混合、球磨并干燥后，與表面包覆鎢層的金剛石粉末混合，得到硬質合金復合材料粉末；

B)所述硬質合金復合材料粉末經壓制、燒結，得到硬質合金復合材料。

上述碳化鎢、鈷、鎳、磷、表面包覆鎢層的金剛石粉末的用量同上，在此不再贅述。

上述燒結的溫度優(yōu)選為1050℃～1200℃。

本發(fā)明對上述壓制、燒結并無特殊限定，可以為本領域技術人員熟知的壓制方法和燒結方法。

本發(fā)明優(yōu)選的，所述燒結在惰性氣體的氛圍中進行。

本發(fā)明對金剛石粉末預先進行化學鍍覆處理，在其表面鍍覆一層鎢，然后將其與之前混合好的硬質合金粉末混合均勻，金剛石粉末均勻分布在所述硬質合金粉末中，獲得一種新型的硬質合金復合材料，然后經壓制、燒結獲得致密化的硬質合金復合材料。

在本發(fā)明的某些具體實施例中，所述硬質合金復合材料為硬質合金片或硬質合金塊。

上述化學鍍覆處理后的金剛石粉末，可以大大提高硬質合金復合材料的耐磨性能，同時，在壓制成型之前就將鍍覆好的金剛石粉末與其他粉末均勻混合，然后一起模壓、燒結，使得最終得到的硬質合金塊(或片)成分均勻、組織致密，有效的保留了硬質合金塊(或片)的抗沖擊韌性；添加了磷和鎳之后，其低的燒結溫度可以很好地避免了金剛石的碳化，有效的保留其耐磨性。

本發(fā)明還提供了上述硬質合金復合材料或上述制備方法制備的硬質合金復合材料在制備耐磨零件中的應用。

作為優(yōu)選的實施例，所述硬質合金復合材料為硬質合金塊或硬質合金片，應用于TC軸承、穩(wěn)定器等需要特殊硬面處理的鋼件。可獲得機械性能優(yōu)異且能滿足惡劣工況要求的TC軸承、穩(wěn)定器等需要做特殊硬面處理的耐磨零部件。

所述硬質合金片的厚度優(yōu)選為2mm～3mm。

所述硬質合金塊或硬質合金片優(yōu)選通過等離子堆焊工藝與鋼件基體形成冶金結合。

本發(fā)明采用等離子堆焊工藝將上述硬質合金復合材料與焊料、鑄造碳化鎢粉末等與鋼件形成牢固的冶金結合，不易脫落。

上述等離子堆焊工藝具體為：

以等離子弧作為熱源，應用等離子弧產生的高溫將焊料與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴散、凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現(xiàn)零件表面的強化與硬化的堆焊工藝。

在本發(fā)明的某些具體實施例中，硬質合金塊(或片)通過點焊后，與鋼件基體結合，然后再經過等離子堆焊，與鋼件基體形成牢固的冶金結合。等離子弧的高溫可以使得焊料及鋼件基體表層熔化，使得最終的硬質合金塊(或片)與鋼件基體形成牢固的冶金結合，無論是在耐磨還是抗沖擊性等方面都能夠滿足惡劣工況的要求。

采用本發(fā)明提供的上述硬質合金復合材料制備的硬質合金塊(或片)，其耐磨耐腐蝕及抗沖擊性能均能滿足惡劣工況的要求，可以很好的應用于石油鉆探領域中的鉆進工具中，例如TC軸承、穩(wěn)定器等部件的硬面層中。其超強的耐磨、耐腐蝕及抗沖擊韌性，可以大大提高TC軸承或穩(wěn)定器等部件的機械性能，延長其使用壽命，減少鉆井作用中零部件更換頻率，節(jié)約成本投入的同時也提高了作業(yè)效率。

本發(fā)明提供的上述硬質合金復合材料除可以作為硬面材料外，也可以直接應用于整體硬質合金制品中，直接用于制備各種硬質合金耐磨零部件，獲得整體耐磨耐腐蝕抗沖擊的裝備構件，提升裝備制造業(yè)的整體水平。

本發(fā)明對上述碳化鎢、鈷、鎳、磷、金剛石粉末的來源并無特殊限定，可以為一般市售。

為了進一步說明本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明提供的硬質合金復合材料、其制備方法及應用進行詳細描述。

實施例1

制備硬質合金復合材料，碳化鎢60wt％，鈷7wt％，鎳3wt％，磷0.25wt％，表面包覆鎢層的金剛石粉末29.7wt％。按照上述配比先將碳化鎢、鈷、鎳、磷混合，球磨并干燥，然后加入表面包覆鎢層的金剛石粉末，模壓，1200℃燒結0.5h，得到硬質合金塊，厚度為3mm。

采用點焊工藝，將上述硬質合金塊與鋼件基體表面結合在一起，然后利用等離子堆焊工藝，將硬質合金片、焊料及鑄造碳化鎢粉末與鋼件基體焊接為一體，形成牢固的冶金結合，并記為材料A。

對其進行性能檢測，結果如表1所示：

實施例2

制備硬質合金復合材料，碳化鎢68wt％，鈷8wt％，鎳4wt％，磷0.25wt％，表面包覆鎢層的金剛石粉末19.75wt％。按照上述配比先將碳化鎢、鈷、鎳、磷混合，球磨并干燥，然后加入表面包覆鎢層的金剛石粉末，模壓，1200℃燒結0.5h，得到硬質合金塊，厚度為3mm。

采用點焊工藝，將上述硬質合金塊與鋼件基體表面結合在一起，然后利用等離子堆焊工藝，將硬質合金片、焊料及鑄造碳化鎢粉末與鋼件基體焊接為一體，形成牢固的冶金結合，并記為材料B。

對其進行性能檢測，結果如表1所示：

實施例3

制備硬質合金復合材料，碳化鎢64wt％，鈷7.5wt％，鎳3.5wt％，磷0.25wt％，表面包覆鎢層的金剛石粉末24.75wt％。按照上述配比先將碳化鎢、鈷、鎳、磷混合，球磨并干燥，然后加入表面包覆鎢層的金剛石粉末，模壓，1200℃燒結0.5h，得到硬質合金塊，厚度為3mm。

采用點焊工藝，將上述硬質合金塊與鋼件基體表面結合在一起，然后利用等離子堆焊工藝，將硬質合金片、焊料及鑄造碳化鎢粉末與鋼件基體焊接為一體，形成牢固的冶金結合，并記為材料C。

對其進行性能檢測，結果如表1所示：

表1實施例1～3材料性能檢測數據匯總

注：1，磨損檢測遵照ASTM G65標準；耐磨腐蝕性能檢測遵照ASTM G31標準

由上述實施例可知，本發(fā)明在所述硬質合金復合材料中添加了磷和鎳，以及表面包覆鎢層的金剛石粉末，大大降低了硬質合金的液相共晶溫度和燒結溫度，對鋼件進行硬面處理后，大大提高了鋼件的耐磨損、耐腐蝕以及抗沖擊韌性。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內。