專利名稱：一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法。適合于要求合金表面硬度及耐磨性高、沖擊韌性高和耐疲勞的鉆探或者盾構(gòu)硬質(zhì)合金產(chǎn)品的制備。屬于硬質(zhì)合金材料制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐疲勞、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)等特點，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、礦業(yè)開采等行業(yè)。隨著對硬質(zhì)合金研究進(jìn)程的不斷推進(jìn)，硬質(zhì)合金正朝著超粗和超細(xì)晶粒兩個方向發(fā)展。按Sandvik公司有關(guān)硬質(zhì)合金的分類 標(biāo)準(zhǔn)，合金中WC晶粒度為3. 5 4. 9 μ m>5. O 7. 9 μ m>8. O 14 μ m的硬質(zhì)合金分別為粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬質(zhì)合金。在合金中Co含量相同的條件下,相對于中、粗晶粒硬質(zhì)合金，特、超粗晶粒硬質(zhì)合金擁有較大的熱導(dǎo)率，較高的斷裂韌性和較好的抗熱疲勞與抗熱沖擊性能，被應(yīng)用于對韌性與抗熱疲勞、抗熱沖擊性能要求較高的沖壓模、熱軋輥等機(jī)械零部件之中，和作為極端工礦條件下連續(xù)開采軟巖的鑿巖器械部件。實際開采過程中，鑿巖硬質(zhì)合金工作環(huán)境惡劣，巖層的狀況及其復(fù)雜，其損壞和失效的方式也不一樣。研究發(fā)現(xiàn)，鑿巖硬質(zhì)合金發(fā)生失效有以下主要形式?jīng)_擊疲勞、磨粒磨損和熱疲勞。對于硬巖層來說，磨粒磨損程度相對低一些，合金失效主要由沖擊和沖擊疲勞導(dǎo)致。粗大的硬質(zhì)合金相晶粒由于表面積較小，使粘結(jié)相分布較廣，有利于提高合金的沖擊韌性?，F(xiàn)有的制備超粗晶合金的方法主要是超高溫碳化(1800-2000°C)和超高溫?zé)Y(jié)(1450-1500°C )，使硬質(zhì)合金整體晶粒度提高到8-14 μ m。由于硬質(zhì)合金晶粒度越高強(qiáng)度和硬度都會下降，而且上述工藝對提高硬質(zhì)合金晶粒度的程度也有限。硬質(zhì)合金鉆齒的主要工作部位是表面。只要保證表面的韌性，就能夠保證鉆齒的服役性能。因此，本研究開發(fā)了一種表面具有晶粒度達(dá)20 μ m的超粗晶合金，而內(nèi)部仍然在5-7 μ m的正常合金范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對實際的需求，提供一種工藝方法簡單、設(shè)備投資少、過程控制簡便的表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法。本發(fā)明一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，包括下述步驟第一步配料、混料配制總碳量比平衡碳量低O. 2-0. 7wt%的硬質(zhì)合金,濕磨,制粒,干燥；第二步冷壓、脫蠟向第一步所得粉末中添加成型劑，混合均勻后冷壓成型；在氫氣氛中加熱至850-950°C排除成形劑，得到預(yù)制硬質(zhì)合金；第三步滲碳燒結(jié)處理將預(yù)制硬質(zhì)合金埋在石墨顆粒中或者置于壓力為O. l-2MPa的烷基氣體氣氛中，在氫氣氣氛保護(hù)環(huán)境下加熱滲碳燒結(jié)，隨爐冷卻至常溫后出爐；滲碳燒結(jié)溫度為14000C _1500°C，保溫時間 lh-4h。本發(fā)明一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，第一步中，所述硬質(zhì)合金由難熔金屬W，Ti, Ta, Nb, Hf中的一種的貧碳碳化物與粘結(jié)金屬Co，F(xiàn)e, Ni或其合金中的一種為原料制備得到，原料配比的總碳量比平衡碳量低O. 2-0. 7wt%的硬質(zhì)合金；所述硬質(zhì)合金中各組分的平均粒度，金屬碳化物為1-5 μ m,粘結(jié)金屬或合金粉末為1-10 μ m ;所述貧碳碳化物中碳含量低于相應(yīng)金屬碳化物的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計量值。本發(fā)明涉及一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，第一步中，所述濕磨工藝參數(shù)為球磨介質(zhì)選自汽油、酒精、丙酮中的一種；球料質(zhì)量比為O. 5-2 1 ;球磨轉(zhuǎn)速為30-120轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時間10-24小時。本發(fā)明涉及一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，第二步中，所述成型 劑選自石蠟、橡膠中的一種，成型劑占粉末質(zhì)量O. 1-0. 3% ;冷壓成型壓力為100-300MPa。本發(fā)明采用上述工藝方法，在正常制備硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上，通過降低球磨轉(zhuǎn)速，降低球磨破碎效率，增加球磨時間提高混合率，以免硬質(zhì)合金相晶粒被過度破碎，提高最終產(chǎn)物表面晶粒大小的均勻性。滲碳燒結(jié)，對硬質(zhì)合金表面滲碳，使其表面達(dá)到正常硬質(zhì)合金碳含量，保證硬質(zhì)合金表面的強(qiáng)度及硬度；采用較高的滲碳燒結(jié)溫度，并適當(dāng)延長保溫時間，可以促使合金表面較小晶粒進(jìn)一步溶解再結(jié)晶并不斷發(fā)生長大，最終得到表面具有超粗晶的硬質(zhì)合金。制得的硬質(zhì)合金表面晶粒超過常規(guī)晶粒的尺寸特征，因此具有高韌性和高耐磨性。綜上所述，本發(fā)明工藝簡單、設(shè)備投資少、過程控制簡便，制備的合金表層晶粒粗大，具有較好的強(qiáng)韌性，適于要求合金表面硬度及耐磨性高、沖擊韌性高和耐疲勞的鉆探或者盾構(gòu)硬質(zhì)合金產(chǎn)品的制備，適于工業(yè)化生產(chǎn)。


附圖I為本發(fā)明制備表層具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的工藝流程圖；附圖2為本發(fā)明實施例I中硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后的SM圖片；附圖3為本發(fā)明實施例2中硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后的SM圖片；附圖4為本發(fā)明實施例3中硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后的SEM圖片。附圖5為本發(fā)明實施例4中硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后的SEM圖片。從圖2可以看出，實施例I制備的硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后，WC晶粒度在5 μ m-18 μ m之間。從圖3可以看出，實施例2制備的硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后，粗WC晶粒較多，平均晶粒度在10 μ m左右。從圖4可以看出，實施例3制備的硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后，WC最大晶粒度超過20 μ m0從圖5可以看出，實施例4制備的70%TiC_30% (Fe-16. 7%Ni)硬質(zhì)合金滲碳燒結(jié)后，TiC平均晶粒度在8-10 μ m之間。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實施例I采用原始粉末為費(fèi)氏粒度為2 μ m的WC粉末、貧碳量O. 4wt%,純度為99%的鈷粉，配成WC-6C0 wt. %合金成分，配料重量為1kg。將原始粉末放入球磨桶內(nèi)進(jìn)行濕磨，球磨介質(zhì)為汽油，球磨時間為10h，將所得粉末進(jìn)行干燥，冷壓后，在900°C氫氣氛脫蠟I小時，得到預(yù)制硬質(zhì)合金。將其在甲烷和氫氣混合氣氛中加熱至1400°C保溫2小時進(jìn)行滲碳處理，在氫氣氣氛保護(hù)環(huán)境中快速冷卻得到表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金。SEM圖片見附圖2 ;從圖中可得出，WC晶粒度在5 μ m-18 μ m之間。
實施例2采用原始粉末為費(fèi)氏粒度為2μπι的WC粉末、純度為99%的鈷粉，添加W粉，使貧碳量調(diào)為O. 4wt%,配成WC-6C0 wt. %合金成分,配料重量為1kg。將原始粉末放入球磨桶內(nèi)進(jìn)行濕磨，球磨介質(zhì)為汽油，球磨時間為14h，將所得粉末進(jìn)行干燥，冷壓后，在900°C氫氣氛脫蠟I小時，得到預(yù)制硬質(zhì)合金。將其埋入碳粉內(nèi)于氫氣氣氛中加熱至1430°C保溫I. 5小時進(jìn)行滲碳燒結(jié)處理，在氫氣氣氛保護(hù)環(huán)境中快速冷卻得到表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金。SEM圖片見附圖3 ;從圖中可得出，粗WC晶粒較多，平均晶粒度在10 μ m左右。實施例3采用原始粉末為費(fèi)氏粒度為2μπι的WC粉末、純度為99%的鈷粉，添加W粉，使貧碳量調(diào)為O. 5wt%，配成WC-6C0 wt. %合金成分，配料重量為1kg。將原始粉末放入球磨桶內(nèi)進(jìn)行濕磨，球磨介質(zhì)為汽油，球磨時間為24h，將所得粉末進(jìn)行干燥，冷壓后，在900°C氫氣氛脫蠟I小時，得到預(yù)制硬質(zhì)合金。將其埋入碳粉內(nèi)于氫氣氣氛中加熱至1460°C保溫3. 5小時進(jìn)行滲碳燒結(jié)處理，在氫氣氣氛保護(hù)環(huán)境中快速冷卻得到表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金。SEM圖片見附圖4 ;從圖中可得出，WC最大晶粒度超過20 μ m0實施例4原始粉末為粒度為2 μ m的TiC粉末(貧碳量調(diào)為O. 5wt%)、純度為99 %的Fe-16. 7%Ni (原子比)粉，配成70%TiC_30% (Fe-16. 7%Ni)(重量比)合金成分，配料重量為 1kg。將原始粉末放入球磨桶內(nèi)進(jìn)行濕磨，球磨介質(zhì)為汽油，球磨時間為24h，將所得粉末進(jìn)行干燥，冷壓后，在700°C真空脫蠟I小時，得到預(yù)制硬質(zhì)合金。將其埋入碳粉內(nèi)于氫氣氣氛中加熱至1400°C保溫3. 5小時進(jìn)行滲碳燒結(jié)處理，在氫氣氣氛保護(hù)環(huán)境中快速冷卻得到表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金。SEM圖片見附圖5 ;從圖中可得出，最大晶粒度約14 μ m。
權(quán)利要求
1.一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，包括下述步驟 第一步配料、混料 配制總碳量比平衡碳量低O. 2-0. 7wt%的硬質(zhì)合金，濕磨，制粒，干燥； 第二步冷壓、脫蠟 向第一步所得粉末中添加成型劑，混合均勻后冷壓成型；在氫氣氛中加熱至850-950°C排除成形劑，得到預(yù)制硬質(zhì)合金； 第三步滲碳燒結(jié)處理 將預(yù)制硬質(zhì)合金埋在石墨顆粒中或者置于壓力為O. l_2MPa的烷基氣體氣氛中，在氫氣氣氛保護(hù)環(huán)境下加熱滲碳燒結(jié)，隨爐冷卻至常溫后出爐；滲碳燒結(jié)溫度為1400°C —1500°C，保溫時間 Ih — 4h。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于第一步中，所述硬質(zhì)合金由難熔金屬W, Ti, Ta, Nb, Hf中的一種的貧碳碳化物與粘結(jié)金屬Co，F(xiàn)e，Ni或其合金中的一種為原料制備得到，原料配比的總碳量比平衡碳量低.O.2-0. 7wt%的硬質(zhì)合金；所述硬質(zhì)合金中各組分的平均粒度，金屬碳化物為1-5 μ m,粘結(jié)金屬或合金粉末為I-IOym ;所述貧碳碳化物中碳含量低于相應(yīng)金屬碳化物的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于第一步中，所述濕磨工藝參數(shù)為球磨介質(zhì)選自汽油、酒精、丙酮中的一種；球料質(zhì)量比為O. 5-2 1 ;球磨轉(zhuǎn)速為30-120轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時間10-24小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于第二步中，所述成型劑選自石蠟、橡膠中的一種，成型劑占粉末質(zhì)量O. 1-0. 3% ;冷壓成型壓力為100-300MPa。
全文摘要
一種表面具有超粗晶的硬質(zhì)合金的制備方法，屬于硬質(zhì)合金材料制造領(lǐng)域；制備步驟為選用高硬度難熔金屬碳化物粉末做為原料，控制碳含量后，同粘結(jié)金屬或合金粉末混料濕磨后進(jìn)行干燥、冷壓成型、脫蠟、于高碳勢氣氛下滲碳燒結(jié)，滲碳溫度控制在1400℃-1500℃之間，時間為1-4小時，得到表面具有超粗晶粒的硬質(zhì)合金。本發(fā)明工藝簡單、設(shè)備投資少、過程控制簡便，制備的合金表層晶粒粗大，表面硬質(zhì)相最大晶粒度可達(dá)20μm，具有較好的強(qiáng)韌性，適于要求合金表面硬度及耐磨性高、沖擊韌性高和耐疲勞的鉆探或者盾構(gòu)硬質(zhì)合金產(chǎn)品的制備，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C22C29/06GK102965534SQ20121045351
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者劉詠, 張明陽, 張偉 申請人:中南大學(xué)