[發明專利]一種金剛石復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110293363.9
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN112725674A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 胡煥校;鄧超;陳威;楊俊德
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C26/00
• 分類號: C22C26/00;C22C30/02;C22C1/05;C22C1/10;B22F3/14;B22F5/00;E21B10/46
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 楊斌

本發明公開了一種金剛石復合材料及其制備方法和應用，金剛石復合材料包括以下質量份的組分：24~35份骨架材料、10~15份中間成分、35~40份粘結材料和15~21份金剛石；骨架材料為鐵基預合金粉；制備方法包括以下步驟：（1）將骨架材料、中間成分、粘結材料和金剛石進行配料并在混料機中進行混料，得到合金粉末；（2）將合金粉末進行燒結熱壓，得到金剛石復合材料。本發明的金剛石復合材料可用于制作金剛石鉆頭的胎體，具有良好的機械性能和成型性，以及較低的燒結成型溫度和時間，從多方面提高了復合材料和鉆頭的性能和壽命。

技術領域

本發明涉及復合材料領域，具體涉及一種金剛石復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

在鉆探施工中，鉆頭是最重要的直接破碎地層巖石及混凝土的工具，鉆頭的性能極大地影響著鉆進速度和經濟效益。目前，金剛石鉆頭已廣泛應用，金剛石鉆頭通常包括一個剛體和一個胎體，胎體上設有若干胎塊，胎塊與被加工物體的接觸面為其唇面。隨著我國水利水電、公路、建筑等基礎設施建設的快速發展，特別是新建與修復改造工程中，在鋼筋混凝土中打鉆的工程量日益增加。目前我國大多采用常規的地質勘探的金剛石鉆頭進行鋼筋混凝土的鉆進，使用中發現，金剛石鉆頭在鉆進鋼筋混凝土時速度緩慢，鉆頭壽命短，即鉆進時效及鉆頭壽命均不夠理想。主要原因在于鉆進鋼筋混凝土時，鉆機是自重加壓，鉆進壓力小，金剛石顆粒對鋼筋混凝土樁的壓力達不到鋼筋混凝土的壓入硬度，鉆頭不能有效進尺。金剛石鉆頭唇面與巖石接觸面積大，使得胎體的唇面施加與巖石表面的壓強不足以使鋼筋混凝土破碎。因此鉆頭鉆進效率低，金剛石切入混凝土的深度淺，產生的巖粉少，對金剛石鉆頭胎體磨損小，金剛石不能正常出刃，破碎混凝土的效果差。而傳統設計的用于地質勘探的金剛石鉆頭不是壽命短就是時效低，不能很好地滿足鋼筋混凝土鉆進的要求。

現有的應用研究指出金剛石鉆頭的胎體材料性能最優的是碳化鎢基胎體和鈷基胎體，但碳化鎢和鈷的市場價格昂貴，且碳化鎢基胎體WC粉含量高且冷壓成型性差。而現有的Fe基的胎體材料存在力學性能較差，燒結溫度高、時間長，對金剛石的把持力不佳等問題，限制了Fe基胎體的發展和使用。

基于上述，有必要設計一種滿足鋼筋混凝土鉆進性能要求且成本較低的金剛石復合材料。

發明內容

本發明提供了一種金剛石復合材料及其制備方法和應用，用以解決現有技術中作為鉆頭的胎體材料市場價格昂貴、冷壓成型性差，燒結溫度高、時間長的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種金剛石復合材料，包括以下質量份的組分：24~35份骨架材料、10~15份中間成分、35~40份粘結材料和15~21份金剛石；骨架材料為鐵基預合金粉。

上述技術方案的設計思路在于：本技術方案通過鐵基預合金粉全部替代現有技術中的碳化鎢材料作為金剛石復合材料的骨架材料，利用了鐵基預合金粉分散性好、把持力高的優點，提高復合材料的硬度和強度，避免在使用時金剛石顆粒過早暴露造成的損耗增加，還可大幅降低復合材料的生產成本、改善復合材料的成型性，降低復合材料在制備成金剛石鉆頭胎體時的燒結溫度和燒結時間，從而減少復合材料中金剛石的熱損傷，在保證復合材料具有良好機械性能的同時，大幅降低成本、提高使用壽命。

作為上述技術方案的優選，鐵基預合金粉包括Cr-Fe預合金粉和Fe預合金粉；Cr-Fe預合金粉和Fe預合金粉的質量比為（4~6）：（20~30）。經發明人研究發現，使用單純的Fe預合金粉作為金剛石復合材料的骨架材料時，金剛石復合材料的耐磨性能會受到一定程度上的降低，因此本發明通過Cr-Fe預合金粉和Fe預合金粉配合使用，可利用Cr-Fe預合金粉的高強度、高耐磨的特性以提升整體材料的耐磨性能。其中，Cr-Fe預合金粉和Fe預合金粉的質量比是發明人多次試驗和反復研究后確定的，Cr-Fe預合金粉的含量過高，則材料硬度和耐磨性較大，韌性較低；從而可能導致實際使用時鉆頭胎體磨損過慢，金剛石不能及時出刃，不能有效發揮切削作用。