[發明專利]一種提高盾構刀具硬質合金性能的方法及系統

有效

• 申請號: 201711084273.9
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107866578B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 孫振川;肖文凱;羅序軍;宋睿琨;王晗
• 申請（專利權）人: 盾構及掘進技術國家重點實驗室;武漢大學
• 主分類號: B22F9/24
• 分類號: B22F9/24;C22C1/05;C22C29/08
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 吳家偉

本發明屬于合金技術領域，公開了一種提高盾構刀具硬質合金性能的方法及系統，方法為：將石墨烯預先均勻地分散于有機溶劑中形成分散液之后，再與粗晶WC粉，Co粉混合，再依次經過球磨、干燥、燒結工序制得盾構刀具硬質合金。本發明石墨烯利用在有機溶劑中的超聲震蕩分散，并與硬質合金原料粉末進行長時間的球磨，能夠到達良好的混合效果，從而實現在后續燒結過程中使組織均勻，降低燒結缺陷；利用石墨烯所具有的優異的導熱性能和兼具的綜合力學性能，實現對硬質合金導熱性能的提升和力學性能的增強。

技術領域

本發明屬于合金技術領域，尤其涉及一種提高盾構刀具硬質合金性能的方法及系統。

背景技術

硬質合金是以高硬度、高熔點金屬的碳化物(WC、TiC)為基體，以鈷(Co)、鎳(Ni)或鉬(Mo)為粘結相組成的復合材料。硬質合金具有獨特的性能組合，即良好的耐磨性、高的硬度、高抗壓強度、高彈性模量、強抗沖擊性能、高耐腐蝕性、尺寸穩定等。盾構刀具刀頭一般就是用粗晶WC-Co類硬質合金制成。

關于盾構刀具失效機制和刀具溫度方面的研究表明，盾構施工過程中刀具的主要失效形式是斷裂和磨損，兩種失效現象都與刀具的溫度密切相關，如，在常溫WC-6Co的沖擊韌性有2J/mm2,而在400℃時就降到了0.4J/mm2，可見在高溫時受到沖擊，極容易斷裂,在掘進時,刀具的溫度一般認為可達到300℃到500℃，局部溫度可達1000℃以上。特別是在軟硬不均的地層掘進時，由于黏土的粘結，使得刀具散熱困難，刀具承受了更高的使用溫度，以致力學性能明顯下降，使用壽命大幅度降低。

要想提高硬質合金盾構刀具性能，延長其使用壽命，在增強其力學性能的同時，提高其導熱散熱性尤為重要。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

現有技術沒用利用石墨烯的導熱性能及綜合力學性能的特點，和沒有運用SPS燒結實現盾構刀具致密化，對硬質合金力學性能和導熱散熱性能達不到的增強和改性的效果。

現有技術對硬質合金的改性只是通過各種工藝手段去提高硬質合金的力學性能，而忽視了其所使用的具體條件，對于盾構刀具來說，強韌性的力學性能提高是一個方面，導熱散熱性的提高才是一個需要側重的點，溫度一升高，力學強度硬度等力學性能就會急劇下降，而現有技術很多都是單純從力學性能上考慮。

同時，現有盾構刀具一般是通過熱壓燒結完成，會存在大量的缺陷，在使用的過程中缺陷就會成為裂紋源，在反復使用過程中，循環應力很容易導致其開裂，從而導致刀具的斷裂，同樣鑄造的致密度也不夠，從而使硬度耐磨性降低。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種提高盾構刀具硬質合金性能的方法及系統。本發明就涉及了具體的應用環境，以提高導熱降低刀具使用溫度，同時力學性能得到增強；本發明是利用SPS燒結，能夠降低合金內部缺陷提高致密度。

本發明是這樣實現的，針對石墨烯的分散及與WC、Co混合，本發明只采用了超聲振蕩及球磨的物理方法，也可以借助于化學方法使石墨烯能在合金粉末中分散得更加均勻，在液相還原法制備鈷粉的過程中將石墨烯均勻分散在Co粉中，制備Co粉的化學方程式為：

Co²⁺+4NaOH→[Co(OH)₄]^2-+4Na⁺

2[Co(OH)₄]^2-+N₂H₄·H₂O→2Co↓+N₂↑+5H₂O+4OH^-；

在Co的溶液中添加石墨烯，振蕩分散后加入氫氧化鈉形成Co的絡合物，后加入聯氨還原，使石墨烯作為Co非均質形核的夾雜，與Co共同沉淀下來使得石墨烯在Co中達到良好的分散，然后再將得到的Co粉與WC進行球磨，已達到良好的混合效果。