本發明涉及煤礦用復合球齒制備領域，具體是一種礦用硬質合金復合球齒及其制備方法。
背景技術：
硬質合金球齒及鉆齒是一種廣泛用于潛孔錘鉆頭、牙輪鉆頭、釬頭和大直徑滾刀鉆頭等的碎巖材料，主要是以沖擊和滾壓方式破碎巖石，由于具有沖擊或微沖擊載荷作用，當鉆進中硬至堅硬地層時，能比純回轉鉆進方式提高效率5～10倍，在礦山開采、油井鉆進、地質勘探以及其他鉆鑿巖石工程中作為工具材料得到廣泛地使用，占全部硬質合金用量的三分之一。隨著鑿巖技術的發展，人們對鑿巖硬質合金的質量要求也越來越高，而鑿巖用硬質合金質量的好壞，直接決定了其使用性能。常見的硬質合金球齒多采用WC-Co硬質合金制成，其性能依賴于碳化鎢和鈷的含量和粒度，增加鈷的含量和碳化鎢的晶粒度，便可以提高硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性，但同時耐磨性下降；反之，便可提高耐磨性。可見，硬質合金球齒的耐磨性和抗沖擊韌性是矛盾的，想要同時進行優化存在很大的難度。在深井施工中，大約70%的時間花費在鉆進和起下鉆的過程中，在硬質層地區，鉆頭費用占整個深井掘進費用的50%以上，可見，耐磨性不足是當前鉆頭壽命短、效率低的主要原因。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種具有高耐磨性和韌性的礦用硬質合金復合球齒及其制備方法。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種礦用硬質合金復合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質合金基體層組成；所述硬質合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同；所述聚晶金剛石層通過中間層與硬質合金基體層的半球體外表面粘接，所述聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.05-2.3mm；所述聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，所述中間層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦50-60%和立方氮化硼40-50%組成，所述硬質合金基體層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦50-60%、立方氮化硼34-44%和鈷粉6-7%組成。作為本發明進一步的方案：所述硬質合金基體層中，半球體的直徑比圓柱體的直徑小4.1-4.6mm。作為本發明進一步的方案：所述聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1：1-1.5。所述的礦用硬質合金復合球齒的制備方法，包括以下步驟：（1）硬質合金基體層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦50-60份、立方氮化硼34-44份和鈷粉6-7份并加入球磨機中，以無水酒精為介質，硬質合金球為研磨體，研磨12小時后，分離出混合物料并將其置于溫度為60-80℃的烘箱內干燥6-8h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入混合物料總質量1.8-2%的聚乙烯醇濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻并烘干至混合物料的含水量為0.08-0.12%，再將混合物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1280-1300℃燒結120-150min，最后將其溫度降至300-350℃均溫3h，冷卻至室溫得到鈷含量呈梯度分布的硬質合金基體層；（2）中間層和聚晶金剛石層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦50-60份和立方氮化硼40-50份并混合均勻，再將其預壓成與硬質合金基體層相配合的空心半球體狀的中間層，置于硬質合金基體層的上端球體外表面；接著在中間層的外表面預壓聚晶金剛石層，得到待復合的硬質合金球齒，此時中間層與聚晶金剛石層的厚度之和為2.5-2.8mm；（3）高壓燒結：對待復合的硬質合金球齒進行去油污和去表面氧化膜處理后，在4.8-5.0GPa的壓力下、1300-1320℃的溫度下保持20-30min，最后在1000-1050℃進行退火處理5-8min，空冷至常溫，即得到礦用硬質合金復合球齒。作為本發明進一步的方案：所述步驟（3）中，去油污處理是采用表面活性劑洗滌去除油污，去表面氧化膜處理是采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜，每次處理之后用蒸餾水清洗至中性。作為本發明進一步的方案：所述硬質合金基體層的鈷含量呈由外向內增加的梯度分布。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明首先以高硬度的碳氮化鈦、立方氮化硼和鈷粉為原料，燒結制得硬質合金基體層，其中的鈷含量呈由外向內增加的梯度分布，增加了硬質合金基體層表面的強度和耐磨性；中間層直接采用高硬度的碳氮化鈦和立方氮化硼，能夠提高材料的強度，聚晶金剛石層的耐磨性很高，將高耐磨性的聚晶金剛石復合到硬質合金基體層表面，能夠實現耐磨性和韌性的平衡效果。本發明具有很高的耐磨性和韌性，能夠大幅度提升使用壽命，提高工作效率，降低操作成本。本發明工藝簡單，性能穩定，生產效率高，對環境無污染，適應工業要求。具體實施方式下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。實施例1本發明實施例中，一種礦用硬質合金復合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質合金基體層組成；硬質合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同，半球體的直徑比圓柱體的直徑小4.1mm；聚晶金剛石層通過中間層與硬質合金基體層的半球體外表面粘接，聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.05mm，聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1：1；聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，中間層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦50%和立方氮化硼50%組成，硬質合金基體層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦60%、立方氮化硼34%和鈷粉6%組成。所述的礦用硬質合金復合球齒的制備方法，包括以下步驟：（1）硬質合金基體層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦60份、立方氮化硼34份和鈷粉6份并加入球磨機中，以無水酒精為介質，硬質合金球為研磨體，研磨12小時后，分離出混合物料并將其置于溫度為70℃的烘箱內干燥7h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入混合物料總質量1.8%的聚乙烯醇濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻并烘干至混合物料的含水量為0.08-0.12%，再將混合物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1300℃燒結120min，最后將其溫度降至350℃均溫3h，冷卻至室溫得到鈷含量呈由外向內增加的梯度分布的硬質合金基體層；（2）中間層和聚晶金剛石層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦50份和立方氮化硼50份并混合均勻，再將其預壓成與硬質合金基體層相配合的空心半球體狀的中間層，置于硬質合金基體層的上端球體外表面；接著在中間層的外表面預壓聚晶金剛石層，得到待復合的硬質合金球齒，此時中間層與聚晶金剛石層的厚度之和為2.5mm；（3）高壓燒結：對待復合的硬質合金球齒進行去油污和去表面氧化膜處理，去油污處理是采用表面活性劑洗滌去除油污，去表面氧化膜處理是采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜，每次處理之后用蒸餾水清洗至中性；接著在4.9GPa的壓力下、1310℃的溫度下保持25min，最后在1050℃進行退火處理5min，空冷至常溫，即得到礦用硬質合金復合球齒。實施例2本發明實施例中，一種礦用硬質合金復合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質合金基體層組成；硬質合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同，半球體的直徑比圓柱體的直徑小4.4mm；聚晶金剛石層通過中間層與硬質合金基體層的半球體外表面粘接，聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.2mm，聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1：1.3；聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，中間層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦60%和立方氮化硼40%組成，硬質合金基體層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦50%、立方氮化硼43%和鈷粉7%組成。所述的礦用硬質合金復合球齒的制備方法，包括以下步驟：（1）硬質合金基體層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦50份、立方氮化硼43份和鈷粉7份并加入球磨機中，以無水酒精為介質，硬質合金球為研磨體，研磨12小時后，分離出混合物料并將其置于溫度為80℃的烘箱內干燥6h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入混合物料總質量1.9%的聚乙烯醇濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻并烘干至混合物料的含水量為0.08-0.12%，再將混合物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1280℃燒結150min，最后將其溫度降至350℃均溫3h，冷卻至室溫得到鈷含量呈由外向內增加的梯度分布的硬質合金基體層；（2）中間層和聚晶金剛石層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦60份和立方氮化硼40份并混合均勻，再將其預壓成與硬質合金基體層相配合的空心半球體狀的中間層，置于硬質合金基體層的上端球體外表面；接著在中間層的外表面預壓聚晶金剛石層，得到待復合的硬質合金球齒，此時中間層與聚晶金剛石層的厚度之和為2.65mm；（3）高壓燒結：對待復合的硬質合金球齒進行去油污和去表面氧化膜處理，去油污處理是采用表面活性劑洗滌去除油污，去表面氧化膜處理是采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜，每次處理之后用蒸餾水清洗至中性；接著在5.0GPa的壓力下、1300℃的溫度下保持30min，最后在1030℃進行退火處理7min，空冷至常溫，即得到礦用硬質合金復合球齒。實施例3本發明實施例中，一種礦用硬質合金復合球齒，由聚晶金剛石層、中間層、硬質合金基體層組成；硬質合金基體層的下端為圓柱體，上端為半球體，半球體的球心與圓柱體的上表面的圓心位置相同，半球體的直徑比圓柱體的直徑小4.6mm；聚晶金剛石層通過中間層與硬質合金基體層的半球體外表面粘接，聚晶金剛石層與中間層的厚度之和為2.3mm，聚晶金剛石層與中間層的厚度比為1：1.5；聚晶金剛石層采用的是聚晶金剛石，中間層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦55%和立方氮化硼45%組成，硬質合金基體層按照質量百分比的原料由碳氮化鈦50%、立方氮化硼44%和鈷粉6%組成。所述的礦用硬質合金復合球齒的制備方法，包括以下步驟：（1）硬質合金基體層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦50份、立方氮化硼44份和鈷粉6份并加入球磨機中，以無水酒精為介質，硬質合金球為研磨體，研磨12小時后，分離出混合物料并將其置于溫度為60℃的烘箱內干燥8h，手工研磨，過120-200目篩，然后加入混合物料總質量2%的聚乙烯醇濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻并烘干至混合物料的含水量為0.08-0.12%，再將混合物料填充到球齒模具中壓制成型，在氮氣或者氬氣保護下于1280℃燒結120min，最后將其溫度降至300℃均溫3h，冷卻至室溫得到鈷含量呈由外向內增加的梯度分布的硬質合金基體層；（2）中間層和聚晶金剛石層的制備：按照質量比，稱取碳氮化鈦55份和立方氮化硼45份并混合均勻，再將其預壓成與硬質合金基體層相配合的空心半球體狀的中間層，置于硬質合金基體層的上端球體外表面；接著在中間層的外表面預壓聚晶金剛石層，得到待復合的硬質合金球齒，此時中間層與聚晶金剛石層的厚度之和為2.8mm；（3）高壓燒結：對待復合的硬質合金球齒進行去油污和去表面氧化膜處理，去油污處理是采用表面活性劑洗滌去除油污，去表面氧化膜處理是采用鹽酸浸泡并加熱后清洗去除氧化膜，每次處理之后用蒸餾水清洗至中性；接著在4.8GPa的壓力下、1320℃的溫度下保持20min，最后在1000℃進行退火處理8min，空冷至常溫，即得到礦用硬質合金復合球齒。本發明首先以高硬度的碳氮化鈦、立方氮化硼和鈷粉為原料，燒結制得硬質合金基體層，其中的鈷含量呈由外向內增加的梯度分布，增加了硬質合金基體層表面的強度和耐磨性；中間層直接采用高硬度的碳氮化鈦和立方氮化硼，能夠提高材料的強度，聚晶金剛石層的耐磨性很高，將高耐磨性的聚晶金剛石復合到硬質合金基體層表面，能夠實現耐磨性和韌性的平衡效果。本發明具有很高的耐磨性和韌性，能夠大幅度提升使用壽命，提高工作效率，降低操作成本。本發明工藝簡單，性能穩定，生產效率高，對環境無污染，適應工業要求。對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。