一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具技术

本发明专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述过渡相的硬度大于基体相的硬度小于耐磨相的硬度。本发明专利技术采用过渡相包覆耐磨相，形成复合硬质合金团粒，将该复合硬质合团粒均匀分布在韧性基体相中，得到具有特殊结构的多级复合金属陶瓷，本发明专利技术提供的多级复合金属陶瓷同时具有较高的耐磨性和较高的断裂韧性，实验结果表明，本发明专利技术提供的多级复合金属陶瓷的硬度为6～15GPa(HV30)，断裂韧性为12～45MPa·m1/2。本发明专利技术还提供了一种多级复合金属陶瓷的制备方法，该多级复合金属陶瓷可直接应用于盾构刀具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于硬质合金
，尤其涉及一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具。
技术介绍
在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机，用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。对于盾构机来说，掘削系统对于盾构机的施工效果有着决定性的影响，掘削系统包括掘削刀盘及其驱动系统，掘削刀盘为能够转动或摇动的盘状掘削器，由盾构刀具、面板、出土槽口、驱动机构和轴承机构等构成。其中，盾构刀具作为开挖地层的直接作用部件，其性能直接影响盾构机的切削效果、出土状况和掘进速度。盾构刀具通常由硬质合金制成，与硬质合金在金属机加工领域的应用相比，硬质合金在盾构领域的应用中通常要经受高磨损和高冲击震动并存的工作条件，其失效机理包括磨粒磨损，冲蚀磨损，热疲劳裂纹，应力、冲击疲劳裂纹，以及由这些裂纹所引发的断裂等，因此，用于盾构刀具的硬质合金需同时具备高的耐磨性和高的断裂韧性。目前盾构领域的硬质合金主要是粗晶粒的均匀结构的传统硬质合金，虽然断裂韧性较高，但耐磨性非常低，成为凿岩刀具寿命短的根本原因。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具，本专利技术提供的多级复合金属陶瓷同时具有高的耐磨性和较高的断裂韧性。本专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相硬度最高；所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。优选的，所述基体相包括WC-Co合金、纯Co、纯Ni、Ni基金属间化合物、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金、铝基合金和增强复合材料中的一种或几种。优选的，所述耐磨相为WC或WC-Co合金，所述WC-Co合金包括:A wt％的Co，0＜A≤10；余量为WC。优选的，所述WC-Co合金中WC的粒度为20nm～2000nm。优选的，所述过渡相为WC-Co合金，所述WC-Co合金包括：6wt％～20wt％的Co；余量为WC。优选的，所述WC的粒度为300nm～5000nm。优选的，所述耐磨相、过渡相和基体相的体积比为(30～80):(2～40):(10～68)。本专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：A)在耐磨相外层包覆n层过渡相，得到团粒，n≥1；B)将团粒与基体相混合，进行烧结，得到多级复合金属陶瓷，其中，若干团粒分布于基体相内部；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相硬度最高；所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。优选的，所述烧结的温度为500～1450℃；所述烧结中的保温时间为2分钟～120分钟。本专利技术提供了一种盾构刀具，包括上述技术方案所述的多级复合金属陶瓷或上述技术方案所述的制备方法制得的多级复合金属陶瓷。本专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相硬度最高，所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。本专利技术采用过渡相包覆耐磨相，形成超硬复合硬质合金团粒，将该复合硬质合团粒均匀分布在韧性较好的基体相中，得到具有特殊结构的多级复合金属陶瓷，本专利技术提供的多级复合金属陶瓷同时具有较高的耐磨性和较高的断裂韧性，实验结果表明，本专利技术提供的多级复合金属陶瓷的硬度为6GPa～15GPa，断裂韧性为12MPa·m1/2～45MPa·m1/2。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的多级复合金属陶瓷的结构示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，接触耐磨相的过渡相硬度最高；所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。本专利技术中的多级复合金属陶瓷同时具有较高的耐磨性和较高的断裂韧性。本专利技术以硬度较低而韧性较高的合金作为基体相，所述基体相的材质优选包括WC-Co合金、纯Co、纯Ni、Ni基金属间化合物、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金、铝基合金和增强复合材料中的一种或几种。在本专利技术中，所述增强复合材料的增强相优选包括陶瓷颗粒、晶须或纤维。在本专利技术中，所述增强复合材料的基体优选包括WC-Co合金、纯Co、纯Ni、Ni基金属间化合物、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金或铝基合金。在本专利技术中，当基体相为WC-Co合金时，所述WC-Co合金优选包括15wt％～95wt％的Co，余量为WC。在本专利技术中，所述基体相WC-Co合金中Co的含量优选为25wt％～85wt％，更优选为35wt％～75wt％，最优选为45wt％～70wt％。在本专利技术中，所述基体相WC-Co合金中WC的粒度优选为20nm～5000nm，更优选为200nm～2000nm，更优选为500nm～1500nm，最优选为800nm～1200nm。本专利技术对所述WC-Co合金的来源没有特殊的限制，可由市场购买获得，也可采用本领域技术人员熟知的WC-Co硬质合金的制备方法将WC粉末和Co粉混合制备得到。在本专利技术中，所述Ni基金属间化合物优选包括NiAl或Ni3Al。在本专利技术中，所述高强钢优选包括Fe-17.9Ni-14.8Co-6.69Mo-1.1Ti。在本专利技术中，所述高温合金优选包括Ni-Co-Cr-Mo合金。在本专利技术中，所述形状记忆合金优选包括Ni55/Ti45。在本专利技术中，所述铜基合金优选包括9Al-81Cu-4Fe-1Ni-5Mo。在本专利技术中，所述铝基合金优选包括Al-1Cu-2.5Mg-11.5Zn。本专利技术对所述Ni基金属间化合物、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金和铝基合金的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的Ni基金属间化合物、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金和铝基合金即可，可由市场购买获得，也可按照本领域技术人员熟知的方法制备得到。在本专利技术中，所述基体相用于提高多级复合金属陶瓷的整体断裂韧性。本专利技术提供的复合硬质合金包括分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1。在本专利技术中，耐磨相外表面可以包覆一层过渡相也可以包覆多层过渡相，形成团粒，所述团粒均匀分布在基体相中，如图1所示，图1为本专利技术提供的多级复合金属陶瓷的结构示意图，其中，1为耐磨相，2为过渡相，3为基体相，1和2形成的球形粉体为团粒。在本专利技术中，所述团粒优选为球形，所述团粒的粒径优选为10μm～1000μm，更优选为20μm～800μm，最优选为100μm～180μm。在本专利技术中，所述团粒在多级复合金属陶瓷中的体积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，与耐磨相接触的过渡相硬度最高；所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。

【技术特征摘要】
1.一种多级复合金属陶瓷，包括基体相和分布于基体相内部的若干团粒，所述团粒包括耐磨相和包覆在耐磨相外部的n层过渡相，n≥1；所述n层过渡相的硬度逐渐降低，与耐磨相接触的过渡相硬度最高；所述过渡相的硬度小于耐磨相的硬度大于基体相的硬度。2.根据权利要求1所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述基体相包括WC-Co合金、纯Co、纯Ni、Ni基金属间化合物、高强钢、高温合金、形状记忆合金、铜基合金、铝基合金和增强复合材料中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述耐磨相为WC或WC-Co合金，所述WC-Co合金包括：A wt％的Co，0＜A≤10；余量为WC。4.根据权利要求3所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述WC-Co合金中WC的粒度为20nm～2000nm。5.根据权利要求1所述的多级复合金属陶瓷，其特征在于，所述过渡相为WC-Co合金，所述WC-Co合金包括：6wt％...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓欣，陈健，伍尚华，刘金洋，刘汝德，叶文驹，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44