一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金及其制備方法
【專利摘要】一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金，以WC為硬質(zhì)相，F(xiàn)e為粘結(jié)相，合金中各組分的重量百分配比為：WC 40?80%、Fe 15%?55%、Cr3C2 0.5%?4%、炭黑0.1%?0.5%和WB 0.5%?5%。其制備方法包括配料?濕磨?噴霧干燥?壓制成型?燒結(jié)?熱處理等。制得的硬質(zhì)合金孔隙率低，具有優(yōu)異的耐磨耐蝕耐沖擊高強(qiáng)韌的特點(diǎn)，抗彎強(qiáng)度可達(dá)4000N/mm2以上，在某些使用領(lǐng)域超過同樣粘結(jié)相含量硬質(zhì)合金的10%?30%。本發(fā)明的合金所需的原材料性價(jià)比高，制備方法滿足工業(yè)批量生產(chǎn)要求，大大拓展了鋼結(jié)硬質(zhì)合金的應(yīng)用范疇，可以在模具材料、耐磨零件及礦山工具等對耐磨性和韌性要求都較高的工業(yè)領(lǐng)域使用。
【專利說明】
一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種新型鋼結(jié)硬質(zhì)合金及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼結(jié)硬質(zhì)合金是一種介于硬質(zhì)合金和鋼之間的材料，通常采用傳統(tǒng)粉末冶金的方 法制備。作為一種交叉材料，它綜合了鋼和硬質(zhì)合金的性能，填補(bǔ)了它們之間的空白使用領(lǐng) 域。與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比，鋼結(jié)硬質(zhì)合金具備鋼材的特征，具有可鍛性、可加工性、可熱處理 性，上述特性使得鋼結(jié)硬質(zhì)合金產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用到模具材料、耐磨零件及礦山工具等領(lǐng) 域。
[0003] 現(xiàn)有的高耐磨性、高硬度的硬質(zhì)合金大多采用WC和Co作為原材料。而鈷作為一種 戰(zhàn)略資源和稀有金屬，其供給基本靠進(jìn)口，且儲量有限，在價(jià)格上也較為昂貴。因此，尋找一 種可替代Co的粘結(jié)相金屬一直是硬質(zhì)合金材料研究的熱點(diǎn)問題。在現(xiàn)有的研究中，F(xiàn)e和Ni 是研究的較多并成功應(yīng)用的粘結(jié)相金屬，但是由于Fe的潤濕性較差，造成其作為粘結(jié)相的 硬質(zhì)合金制品往往存在孔隙，導(dǎo)致強(qiáng)度不足的情況。
[0004] 因此，如何通過改善組織特性，制備一種耐磨性、強(qiáng)度和韌性都較好的鋼結(jié)硬質(zhì)合 金，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過添加改善組織合金性能的WB和輔以優(yōu)化的熱 處理工藝，得到高耐磨性與高強(qiáng)韌于一體的新型鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料，改變了傳統(tǒng)鋼結(jié)硬質(zhì) 合金強(qiáng)度低、應(yīng)用領(lǐng)域窄的狀況。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金，以WC為硬 質(zhì)相，F(xiàn)e為粘結(jié)相，合金中包括以下重量百分配比的組分:WC 40-80%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0 · 5%-4%、炭黑0 · 1%-0 · 5%和WB 0 · 5%-5%。
[0007] 所述WC的粒度為0.2-30μπι。
[0008] -種鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，包括以下步驟： 步驟一、按照鋼結(jié)硬質(zhì)合金的重量百分比，分別稱取WC 40-80%、炭黑0.1%-0.5%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0·5%-4%和WB 0·5%-5%，備用； 步驟二、將步驟一稱取的物料加入到球磨機(jī)中，按照(2-5) : 1的球料比，以無水乙醇作 為研磨介質(zhì)，石蠟作為成型劑，進(jìn)行球磨20_50h; 步驟三、對步驟二球磨后的物料進(jìn)行噴霧干燥，制得混合粉料，之后，將所得混合粉料 放入壓料機(jī)中，在50MPa-300MPa的壓力下壓制成坯體，備用； 步驟四、將步驟三制得的坯體轉(zhuǎn)置于燒結(jié)爐內(nèi)，于1200-1500°C溫度下進(jìn)行燒結(jié)30-120min，之后冷卻，得到合金還體，備用； 步驟五、將步驟四制得的合金坯體置于真空環(huán)境下進(jìn)行800-1200°C淬火和100-500°C 回火，即得鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
[0009] 在步驟二中，所用的球磨機(jī)為可傾式球磨機(jī)。
[0010] 在步驟二中，所述石蠟的添加量為步驟一所稱取物料總質(zhì)量的1%-4%。
[0011] 在步驟三中，所述噴霧干燥的溫度為160°C-240°C。
[0012] 有益效果： 1、本發(fā)明在原料的球磨混合步驟中，以高強(qiáng)度、長時(shí)間的球磨工藝使各原料得到充分 混合的同時(shí)，也將原料中的WC進(jìn)行了一定程度的活化，保證了硬質(zhì)相WC在后續(xù)的燒結(jié)步驟 中能夠與其他組分進(jìn)行充分融合，提高成品硬質(zhì)合金的均一性和強(qiáng)韌性;選擇無水乙醇作 為研磨介質(zhì)能夠有效避免球磨過程中的增氧;噴霧干燥步驟中相對密閉的干燥環(huán)境系統(tǒng)， 確保了混合料粉末的潔凈度;高溫?zé)Y(jié)步驟為實(shí)現(xiàn)合金致密化、消除微觀孔隙提供了保障， 高溫淬火使合金組織硬度和強(qiáng)度提高，低溫回火使合金組織更均勻，消除應(yīng)力。
[0013] 2、本發(fā)明制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金以WC為硬質(zhì)相，F(xiàn)e作為粘結(jié)相，通過添加改善合金 硬度和韌性的WB，按照傳統(tǒng)硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝，并輔以優(yōu)異的熱處理工藝，經(jīng)800-1200 °C高 溫淬火和100-500°C低溫回火，提高了合金制品的硬度。制得了一種新型鋼結(jié)合金材料。該 材料歸屬于硬質(zhì)合金和鋼材的交叉領(lǐng)域，產(chǎn)品孔隙率為A02B00C00,經(jīng)過熱處理后與同粘結(jié) 相下的產(chǎn)品硬度相比達(dá)到甚至超過硬質(zhì)合金水平，同時(shí)抗彎強(qiáng)度可達(dá)4000 N/mm2以上，在 某些使用領(lǐng)域超過同樣粘結(jié)相含量硬質(zhì)合金的10%_30%，實(shí)現(xiàn)了高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)韌 性的統(tǒng)一。另外，采用Fe作為粘結(jié)相，性價(jià)比高，一方面減少了 Co這種戰(zhàn)略資源的耗費(fèi)，降低 了生產(chǎn)成本;另一方面也為終端用戶提供了增值服務(wù)。方法本身工藝簡單，過程控制簡便， 制備的硬質(zhì)金屬合金可廣泛應(yīng)用于模具材料、耐磨零件及礦山工具等對耐磨性和韌性要求 都較高的工業(yè)領(lǐng)域。
[0014] 3、本發(fā)明的硬質(zhì)合金所采用的添加劑WB在合金組織中作為一種硬質(zhì)相而存在，它 的添加能夠提高鋼結(jié)合金的硬度，其在燒結(jié)過程可與基體固溶形成立方相，改善組織性能， 通過熱處理工藝使基體組織性能進(jìn)一步強(qiáng)化和均勻化，實(shí)現(xiàn)硬度和強(qiáng)度的雙重提高，與不 添加此添加劑的硬質(zhì)合金對比，熱處理后HRA可以提高0.5-1.5，抗彎強(qiáng)度可達(dá)4000 N/mm2 以上。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明所制備的合金的500倍金相照片； 圖2為本發(fā)明所制備的合金的3000倍SEM背散射電鏡圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的闡述和說明。
[0017] 一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金，采用WC作為硬質(zhì)相，F(xiàn)e作為粘結(jié)相，添加〇3(：2及添加劑WB，采 用粉末冶金的方法制備。其中添加劑WB是用于改善鋼結(jié)硬質(zhì)合金燒結(jié)特性和硬度的物質(zhì)。 本發(fā)明屬于多牌號系列化成果，材料的成分比例范圍寬，具體為:WC 40%-80%，F(xiàn)e 15%-55%， Cr3C2 0·5%-4%，炭黑0· 1%-0·5%，添加劑WBO·5%-5%。其中，WC原料的Fsss粒度范圍在0·2-30μ m〇
[0018] 該鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備工藝包括配料-濕磨-噴霧干燥-壓制成型-燒結(jié)-熱處理等 步驟，具體為： 1)將原料沉、？6、03(：2、炭黑及添加劑18按照一定比例配制，其中炭黑的添加量是根據(jù) 相圖及兩相區(qū)的特點(diǎn)計(jì)算得到的，其加入量為物料總量的〇. 1%_〇. 5%。
[0019] 2)將所有物料加入到50L-300L的可傾式球磨機(jī)中，按照球料比為2-5:1的比例裝 入球磨球，添加無水乙醇作為研磨介質(zhì)，添加配料總質(zhì)量（即WC、Fe、Cr3C2和WB的總質(zhì)量）1%_ 4%的石蠟作為成型劑，球磨20-50小時(shí)。
[0020] 3)利用先進(jìn)的噴霧干燥系統(tǒng)，在160 °c-240°c的高溫氮?dú)庾饔孟?，把料漿干燥為具 有一定松裝密度、流速和粒度分布的混合料粉末。
[0021] 4)混合料在自動(dòng)壓機(jī)50MPa-300MPa的壓力下進(jìn)行壓制成型，得到所需形狀要求的 產(chǎn)品。
[0022] 5)采用進(jìn)口低壓爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200-1500°C，保溫時(shí)間30min-120min， 然后冷卻，得到目標(biāo)形狀和尺寸的新型鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
[0023] 6)合金在真空熱處理系統(tǒng)中進(jìn)行800-1200°C淬火和100-500°C回火，得到最終的 硬質(zhì)合金產(chǎn)品。
[0024]本發(fā)明制備的硬質(zhì)合金孔隙率低，達(dá)到常規(guī)硬質(zhì)合金水平，為A02B00C00,具有優(yōu) 異的耐磨耐蝕耐沖擊高強(qiáng)韌的特點(diǎn)，抗彎強(qiáng)度可達(dá)4000N/mm2以上，在某些使用領(lǐng)域超過同 樣粘結(jié)相含量硬質(zhì)合金的10%_30%。本發(fā)明的合金所需的原材料性價(jià)比高，制備方法滿足工 業(yè)批量生產(chǎn)要求，大大拓展了鋼結(jié)硬質(zhì)合金的應(yīng)用范疇，可以在模具材料、耐磨零件及礦山 工具等對耐磨性和韌性要求都較高的工業(yè)領(lǐng)域使用。
[0025] 實(shí)施例1: 將重量百分比為50%的WC、48.1%的Fe、1%的Cr3C2、0.3%的炭黑、0.6%的添加劑WB按照要 求配料，放置到體積為300L濕磨機(jī)中，控制球料比為3:1，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，添加配料 總質(zhì)量2%的石蠟作為成型劑，進(jìn)行研磨36h，之后卸料，并在200°C溫度條件下進(jìn)行噴霧干 燥，得到混合粉料，然后，將混合粉料置于125MPa壓力下進(jìn)行壓制成坯，之后，將坯體放入低 壓爐內(nèi)于1240 °C下燒結(jié)90min，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理爐中進(jìn)行 1100°C淬火和170°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)韌性的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。對本實(shí)施 例所制得的鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行性能檢測，其結(jié)果如表1所示。
[0026] 實(shí)施例2: 將重量百分比為60%的WC、34.3 %的Fe、0.5%的Cr3C2、0.2%的炭黑，5%的添加劑WB按照 要求配料，放置到體積為300L濕磨機(jī)中，控制球料比為2:1，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，添加配 料總質(zhì)量1%的石蠟作為成型劑，進(jìn)行研磨42h，之后卸料，并在160 °C溫度條件下進(jìn)行噴霧干 燥，得到混合粉料，然后，將混合粉料置于50MPa壓力下進(jìn)行壓制成坯，之后，將坯體放入低 壓爐內(nèi)于1300 °C下燒結(jié)IOOmin，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理爐中進(jìn)行 1100°C淬火和170°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)韌性的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。對本實(shí)施 例所制得的鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行性能檢測，其結(jié)果如表1所示。
[0027] 實(shí)施例3: 將重量百分比為40%的WC、55%的Fe、4%的Cr3C2、0.5%炭黑，0.5%的添加劑WB按照要求配 料，放置到體積為300L濕磨機(jī)中，控制球料比為3:1，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，添加配料總質(zhì) 量4%的石蠟作為成型劑，進(jìn)行研磨20h，之后卸料，并在240 °C溫度條件下進(jìn)行噴霧干燥，得 到混合粉料，然后，將混合粉料置于300 MPa壓力下進(jìn)行壓制成坯，之后，將坯體放入低壓爐 內(nèi)于1200 °C下燒結(jié)120min，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理爐中進(jìn)行800 °C 淬火和100°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)韌性的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。對本實(shí)施例所制 得的鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行性能檢測，其結(jié)果如表1所示。
[0028] 實(shí)施例4: 將重量百分比為80%的WC、15%的Fe、3%的Cr3C2、0.1 %的炭黑、1.9%的添加劑WB按照要求 配料，按照要求配料，放置到體積為300L濕磨機(jī)中，控制球料比為5:1，以無水乙醇為球磨介 質(zhì)，添加配料總質(zhì)量2%的石蠟作為成型劑，進(jìn)行研磨50h，之后卸料，并在180°C溫度條件下 進(jìn)行噴霧干燥，得到混合粉料，然后，將混合粉料置于200MPa壓力下進(jìn)行壓制成坯，之后，將 坯體放入低壓爐內(nèi)于1500 °C下燒結(jié)30min，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理 爐中進(jìn)行1200°C淬火和500°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)韌性的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。 對本實(shí)施例所制得的鋼結(jié)硬質(zhì)合金進(jìn)行性能檢測，其結(jié)果如表1所示。
[0029] 耒1，太發(fā)明夂走施例所制客锎結(jié)硬席
合全的忡能給涮圖耒 通過表1可知本發(fā)明制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金與同使用領(lǐng)域的硬質(zhì)合金相比，無論在硬度 還是在強(qiáng)度方面都有較大的提升，實(shí)現(xiàn)了硬度和強(qiáng)度這對矛盾體的統(tǒng)一，使用前景廣闊。
[0030]為了更細(xì)致的比較其他性能，選取了本發(fā)明實(shí)施例1制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金與該鋼 結(jié)硬質(zhì)合金可運(yùn)用的領(lǐng)域所使用的傳統(tǒng)硬質(zhì)合金材料進(jìn)行耐磨性和耐沖擊韌性的比較，其 結(jié)果如表2所示。
[0031 ]表2新材料與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金材料耐磨性和沖擊韌性的比較
通過表2可知，本發(fā)明所制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金的耐磨性和沖擊韌性都優(yōu)于同行業(yè)使用 硬質(zhì)合金水平。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金，其特征在于，以WC為硬質(zhì)相，F(xiàn)e為粘結(jié)相，合金中包括以下重量 百分配比的組分:賈：4〇-80%、？6 15%-55%、〇3〇2〇.5%-4%、炭黑0.1%-〇.5%和冊0.5%-5%。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金，其特征在于:所述WC的粒度為0.2-30μπι。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、按照鋼結(jié)硬質(zhì)合金的重量百分比，分別稱取W C 4 0 -8 0 %、炭黑0.1 % - 0.5 %、F e 15%-55%、Cr3C2 0·5%-4%和WB 0·5%-5%，備用； 步驟二、將步驟一稱取的物料加入到球磨機(jī)中，按照（2-5) : 1的球料比，以無水乙醇作 為研磨介質(zhì)，石蠟作為成型劑，進(jìn)行球磨20_50h; 步驟三、對步驟二球磨后的物料進(jìn)行噴霧干燥，制得混合粉料，之后，將所得混合粉料 放入壓料機(jī)中，在50MPa-300MPa的壓力下壓制成坯體，備用； 步驟四、將步驟三制得的坯體轉(zhuǎn)置于燒結(jié)爐內(nèi)，于1200-1500°C溫度下進(jìn)行燒結(jié)30-120min，之后冷卻，得到合金還體，備用； 步驟五、將步驟四制得的合金坯體置于真空環(huán)境下進(jìn)行800-1200°C淬火和100-500°C 回火，即得鋼結(jié)硬質(zhì)合金。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于:在步驟二中，所 用的球磨機(jī)為可傾式球磨機(jī)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于:在步驟二中，所 述石蠟的添加量為步驟一所稱取物料總質(zhì)量的1 %_4%。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于:在步驟三中，所 述噴霧干燥的溫度為160 °C-240 °C。
【文檔編號】B22F3/14GK106086575SQ201610729551
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發(fā)明人】謝屹峰, 楊躍, 石玉斌, 程鑫, 焦長禮, 張寶林
【申請人】洛陽金鷺硬質(zhì)合金工具有限公司