1　前言
硬质合金柱齿钻头不耐磨,特别是在坚硬磨蚀性强的矿岩中钻进,钻头周边齿磨损严重,是当前钻头寿命短、钻进效率低的主要原因。为此国内外科研与生产制造者采用多种途径来提高硬质合金柱齿的耐磨性及钻头寿命,其中最有效的是美国梅加金刚石公司采用高温高压技术于1987年研制成功的金刚石强化柱齿,在中小钎头、石油牙轮钻头的应用中取得了较好的效果。另外国内一些单位也正致力于该项研究[1,2]。本文采用添加Ｎｉ-Ｐ活化烧结ＷＣ-Ｃｏ硬质合金的特殊工艺,用热压法在温度比硬质合金烧结温度低300℃左右的条件下,成功地烧结出了新型的金刚石强化柱齿,文中重点研究分析了热压烧结工艺对新型金刚石-硬质合金复合柱齿性能的影响。

2　试验原理及方法
2 1　试验原理ＷＣ-Ｃｏ类硬质合金的烧结温度一般为1350～1480℃,远远超过了金刚石的临界石墨化温度(700℃),如果在此温度下对金刚石复合材料进行烧结,金刚石将会受到基体中金属元素的化学侵蚀和其本身机构热应力的共同作用,使金刚石受到严重损伤,甚至失去工作能力。为了解决这一矛盾,在复合柱齿的配方中加入了少量的Ｎｉ、Ｐ元素粉,使ＷＣ-Ｃｏ的烧结温度下降到了1050～1100℃,实现了低温活化烧结,其活化机理主要是由于Ｎｉ-Ｐ合金的共晶温度为880℃,远比Ｃｏ元素的熔点(1495℃)低。因此,在ＷＣ-Ｃｏ硬质合金中加入Ｎｉ、Ｐ元素粉以后,在相对较低的温度下便可出现液相,使得固相颗粒的溶解与析出以及骨架的形成也提前发生,烧结过程更为充分,有效地提高了复合柱齿的致密化速度,改善了复合柱齿的性能,更重要的是,整个烧结过程在较低的温度下便可顺利完成。加入Ｎｉ、Ｐ元素粉前后的试样性能对比见表1。表1　加入Ｎｉ、Ｐ元素粉前后的试样性能对比性能加入Ｎｉ、Ｐ元素粉前基体超硬部分加入Ｎｉ、Ｐ元素粉后基体超硬部分硬度ＨＲＡＲｔｒ/ＭＰａ64 8690/30084 61680/1210

2 2　试验方法金刚石—硬质合金复合柱齿的制造工艺流程如图1所示,其中热压烧结工艺比较重要,其步骤为:首先将组装好的模具置于压力机的工作台上,并施以一定的初压(约20ＭＰａ);然后升温,加热功率在30ｋＷ时,约需5ｍｉｎ可升到烧结温度,此时立即施以全压,并在该压力下保温一定时间;在温度降为700℃,卸除压力,将试样移至保温箱中冷却到室温。对试样的三个主要的性能指标(基体的硬度、横向断裂强度和超硬层的耐磨性)进行了测试。图1　金刚石—硬质合金复合柱齿制造工艺流程图试验所用的主要设备及技术参数为:ＫＰＳ中频感应电源(加热功率100ｋＷ),ＬＹ-10型单臂压力机(30Ｔ)和ＣＩＴ红外测温仪。本文采用的原材料为:金刚石/40～60目,ＷＣ粉/-400目,Ｃｏ粉/-300目,Ｎｉ粉/-300目,Ｐ粉,经研磨后加入。

3　试验结果及分析
3 1　烧结温度对复合柱齿性能的影响
从图2中可以看出,在烧结温度低于1000℃时,金刚石—硬质合金复合齿的实际密度与理论密度相差较大,其硬度、强度和磨耗比都很低,从外观形态和颜色观察,可以看出复合柱齿具有明显欠烧的特征;当烧结温度在1050～1100℃时,复合柱齿的硬度、强度和耐磨性都比较高;温度再继续升高,复合柱齿的硬度虽略有升高,但此时横向断裂强度和磨耗比均开始下降。图2　复合柱齿性能随烧结温度的变化曲线

3 2　烧结压力对复合柱齿性能的影响
烧结压力和复合柱齿硬度、强度和磨耗比的关系如图3所示。图3　复合柱齿性能随烧结压力变化曲线从图中可以看出,烧结压力小于40ＭＰａ时,复合柱齿的硬度、强度随压力的升高均有明显提高,磨耗比虽也有提高,但提高幅度不大;当压力大于40ＭＰａ时,对复合柱齿性能的影响较小,趋于平稳。

3 3　保温保压时间对复合柱齿性能的影响
本文在保持烧结温度1060℃和烧结压力40ＭＰａ不变的情况下,对保温时间分别在1、2、3、4、5ｍｉｎ的复合柱齿性能进行了研究,保温时间与复合柱齿的硬度、强度和磨耗比的关系如图4所示。图4　复合柱齿性能随保温保压时间变化曲线从图示的试验结果可以看出,在合理的烧结温度和烧结压力下,保温时间也有一个最优值。当保温时间过短时,复合柱齿内部没有足够的时间进行合金化反应,处于欠烧状态,复合柱齿的力学性能指标都偏低;当保温时间过长时,复合柱齿的硬度虽稍有提高,但横向断裂强度和磨耗比却较低。