CN101348870B - 碳化钨－碳化钛－碳化钽固溶体粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化钨-碳化钛-碳化钽固溶体粉末，即在硬质合金材料生产过程中加入碳化钨-碳化钛-碳化钽固溶体粉末TRC-33，可使合金材料的金相组织更加均匀，产品的性能更加稳定，强度、硬度红韧性均有显著的提高。TRC-33是一种非常好的固溶体，其推广应用前景非常远大，可使我国硬质合金材料WC-TiC-TaC-Co的性能上一个台阶。
Description
技术领域：
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种碳化钨-碳化钛-碳化钽固溶体粉末(TRC-33)。
背景技术：
众所周知：高性能硬质合金刀具是工业发达国家致力于研究和发展的重要课题，是现代工业的牙齿，是衡量一个国家工业水平的重要依据，硬质和超硬材料是国家重点支持发展的新材料，作为硬质和超硬材料、难加工金属材料的加工材料，其重要性显而易见，我国的高性能硬质合金刀具材料，特别是数控刀具材料现在基本上依赖进口，不仅价格昂贵，而且诸多方面还受到了限制，对我国工业现代化进程造成很大影响。
发明内容：
本发明的目的是根据上述不足之处，而研制一种碳化钨-碳化钛-碳化钽固溶体粉末(TRC-33)，大量的实验证明在硬质合金材料生产过程中加入TRC，改善硬质合金的性能，保证产品的优质性。在硬质合金材料中加入TaC能改善硬质合金的性能，生产出优良的切钢弹号。然而TaC的良好效果只有在它与WC形成固溶体时才能达到，在WC-TiC-Co合金中加入纯TaC对其性能没有多大的作用，这是因为合金材料的烧结温度低于碳化固溶温度，因而无法以获得完全的固溶体。
在800℃以前TiC的硬度大于TaC，而在800℃以后，则TaC大于TiC。
所以在WC-TiC-Co合金材料中加入TaC有利于提高合金材料的高温硬度，即合金材料的红韧性提高。
TiC与TaC具有相同的晶体结构，能形成连续固溶体，WC也可以较好溶于这种连续固溶体之中。在WC-TiC-TaC系列之中，TaC越多，WC溶解TiC-TaC中的溶解度越小。当然，WC在复式碳化物中的溶解度也随着温度降低而减小。在烧结温度下，WC在TiC中的溶解度为70％左右，在TaC中的溶解度为10％左右。因此WC在TiC-TaC中的溶解度有限。所以要制备WC-TiC-TaC 100％的固溶体，WC、TiC、TaC三者的比例是非常关键的技术参数。
WC-TiC-Co合金主要用于加工钢材(如碳素钢、合金钢)等长屑材料的切削加工。添加少量的TaC后，即成为WC-TiC-TaC-Co合金，其使用性能得到相当的改善，不但可以切削钢材，而且可以加工铸铁和有色金属。特别是针对某些难加工材料或者其它特殊材料的切削加工，如高强度合金钢、耐热合金钢、合金铸铁等材料的加工，这类合金起着很大的作用，由于添加少量TaC，使这类的高温性能得到改善，抗氧化性能有所提高，切削性能大幅度提高。可以适应各种被加工材料的切削加工，因此通常又把此类合金称做通用合金。
国外多采用WC、TiO2、Ta2O5和碳黑粉混合后将其碳化形成固溶体，前苏联则用Ta粉做原料。我国大多采用WC、TaC、TiO2和碳黑混合，然后碳化形成固溶体。长沙伟晖公司则采用独创的TRC-33的制备工艺来合成WC-TiC-TaC固溶体。所制造出的WC-TiC-TaC固溶体具有固溶度高、颗粒细、纯度高等特点。经过多数用户使用证明。利用该工艺生产的WC-TiC-TaC固溶体具有良好的使用性能，达到世界一流水平，且生产成本大大低于国外同类产品，具有很大的推广应用前景。
本发明是这样实现的，该产品是采用金属单体或氧化物为原料，并根据需要配入碳黑(C)量。并加入0.5-1.5％醛类物质作为碳化促进剂，碳化反应和碳化物的固溶反应是在碳管炉中进行，反应温度较常规生产中的反应温度低300℃，一次性获得金属碳化物或金属碳化物固溶体纯度≥99％的产品，产品固溶度≥99％，产品粒度降低至＜1.5μm，降低了产品能耗，提高效率。
本发明的TRC-33固溶体组成如下：按重量百分比
WC 45％-Tic 22％-TaC33％，在这种比例下，能够制备WC-TiC-TaC 100％的固溶体，该TRC-33固溶体，用X光衍射检验，表明为单相，固溶度100％。
制作工艺：
根据不同要求按分子量计算，配料配方为：[钨粉(W)+氧化钛(TiO2)+氧化钽(Ta2O5)]15％-45％+碳黑(C)54％-84％+碳化促进剂(醛类物质0.5％-1.5％)，配料后，混合装舟，进入碳管炉碳化，温度在1300℃-1800℃，再出舟，进行破碎，分析后再进行筛分，合批包装出厂。
本发明特点：
1、本项目加入碳化促进剂作为反应催化剂，使碳化合成反应的温度得到降低，充分保证金属碳化物反应完全，降低产品粒度，保证产品的优质性。通过本企业的大量试验及生产实践证明，在制备过程中加入0.5％-1.5％的醛类物质作为碳化促进剂，大大提高反应速度及转化率。碳化促进剂的加入可以在较低的温度下制备碳化物，并且生成的碳化物的颗粒较细。碳化促进剂能加快反应速率是由于碳化促进剂优先参与了反应，改变了反应途径，降低了反应的活化能；而且其反应生成物(碳化物)是处于一种疏松多孔的状态，有利于扩散过程的进一步进行，从而提高反应速度及转化率。与一般方法相比，碳化反应温度平均降低了300℃，缩短了反应时间，减少了生产能耗，同时使得碳化反应充分完全，产品粒度细，保证产品的优质性。并将原料损耗缩减到最低，真正达到物尽其用。
2、结合工艺特点对碳管炉的发热体石黑炉管进行了梯度处理，解决其高温区域短，温度不均匀的现状，提高了热效率，在保证产品质量的同时降低了成本。
由于连接发热体石墨炉管两头铜电极采用水冷保护，以及物料的频繁进出，导致发热体石墨炉管两头温度低，且中间高温区域较短。针对这一实际情况，我公司通过无数次的实验，提出采用超高功率石墨炉管，并且对石墨炉管壁的厚度进行梯度处理。从实际使用情况来看，较好的解决了高温区域短，温度不均匀的问题，符合公司生产工艺的要求。
3、本项目对于生产较复杂的多元碳化物，采用金属单体或氧化物为原料，根据需要配入碳黑(C)量，使金属的碳化反应和碳化物的固溶反应合并为一次完成，得到高品质的产品。正是因为碳化促进剂的加入和碳管炉高温区域短，温度不均匀的问题的解决，可以直接采用金属氧化物或为单体原料，使金属的碳化反应和碳化物的固溶反应合并为一次完成，无需再进行后续处理就可获得纯度≥99％、粒度＜1.5μm(FSSS)、固溶度≥99％的高品质产品，极大的缩短了生产周期，节约成本，且生产可连续进行，适合于大批量工业化生产。
4、本项目设计中采用了反应气体自保护新工艺：利用碳管炉中碳化合成反应所产生的一氧化碳气体代替氢气对反应进行气氛保护，减少了杂质混入。
金属碳化物的普通生产过程中是采用通氢气保护这一传统工艺，不仅成本昂贵，而且安全性能低，泄漏易引起爆炸。采用自保护中的反应气体，主要为一氧化碳气体，该气体排除时充分燃烧生成二氧化碳，且排出量不大，对环境无污染。减少了通氢气保护这一工序，简化生产设备，使成本降低，减少了杂质混入。提高产品纯度的同时为公司节约了生产成本，经济效益显著。
本发明的TRC-33的制备原理如下：
金属的碳化反应均为固-固相反应，从动力学角度考虑对反应不利。在碳与金属氧化物反应时，首先碳与金属氧化物接触的界面发生反应生成一氧化碳及相应的碳化物，碳化物开始成核并逐渐长大。接着碳与氧化物通过扩散作用穿过碳化物继续反应，由于碳化物的阻碍，扩散速度将会越来越慢，所以反应速度也会越来越慢，甚至到反应后期，由于反应物无法扩散，反应也将无法进行下去。所以就会导致转化率低，产物不纯。
为了提高扩散速度及反应完成程度，通常可以采用升高温度和增加反应时间的办法。通过热力学计算可知金属碳化物发生反应的起始温度都较高。
要使反应能够顺利进行，必须要在较高的温度(高于起始温度)下制备碳化物，因此进一步提高温度更将加大生产能耗。并且随着温度的升高和时间的延长，碳化物晶粒就会出现长大现象。在反应初期成核后，碳化物晶粒便会逐渐长大，温度越高，晶粒长大速度越快，最终导致产物中的碳化物晶粒粗大。因此，若要制备颗粒较细的碳化物，不能一味地提高反应温度。
现有普通的金属碳化物生产制备过程中，碳化反应不充分，造成原料的浪费，且对温度要求条件高，产品粒度得不到保障，还需进行长时间的湿式球磨以降低粒度，不仅成本高，而且增加了铁、氧等杂质。
附图说明
图1为本发明固溶体生产工艺流程图
图2为传统固溶体生产工艺流程图
具体实施方式：
实施例1：在国内的某股份公司，在2005年前夕一直使用自制的WC-TiC-TaC固溶体来生产一种外国车刀(CL26417)，由于用户切速速度的提高，被加工材料钢级的变化，刀具的寿命不能满足要求。用户只好采用进口刀具来满足生产需求。当该公司的科研人员改用我公司的固溶体TRC-33后，刀具的寿命大幅度提高，完全可以替代进口刀具，满足用户的生产要求，深受用户好评。目前，该产品已批量生产三年多，为企业创造1000多万元的收益。
实施例2：TRC-33在螺纹梳刀基体毛坯中的应用：
高强度石油管材居难加工材料，对刀片基体材料的要求甚高。由于用户对切削速度的大幅度提升，原来沿用多年的梳刀基体材料已无法满足用户的生产要求，因此急需研制一种新的材料来替代老的基本材料。经过科研人员的反复筛选，最终优选出加入TRC-33固溶体的合金基材料来满足用户的需求。加入TRC-33固溶体后，WC-TiC-TaC-Co合金整体材料性能优越，且产品质量稳定。经多次切削试验表明，采用TRC-33固溶体生产的刀片寿命超过公司外购某名牌大厂生产的同类产品，实现了产品的自主生产。仅此一项，每年可为公司节约采购成本上千万元。
经过科研人员的研究发现，采用伟晖公司TRC-33固溶体后，可使合金材料的金相组织更加均匀，产品的机械性能更加稳定，强度和硬度均有不同程度的提高。因此我们认为TRC-33是一种非常好的固溶体，其推广应用前景非常远大，可使我国硬质合金材料WC-TiC-TaC-Co的性能上一个台阶。
Claims (1)
1.碳化钨-碳化钛-碳化钽固溶体粉末的制备方法，其特征是，具体包含以下步骤：
按分子量计算，配料配方为：[钨粉(W)+氧化钛(TiO2)+氧化钽(Ta2O5)]15％-45％+碳黑(C)54％-84％+碳化促进剂0.5％-1.5％，配料后，混合再装舟，进入碳管炉碳化，温度为1300℃-1800℃，再出舟，进行破碎，分析后再进行筛分，一次性获得金属碳化物固溶体纯度≥99％的产品，产品粒度降低至＜1.5μm，所得产品按重量百分比为WC 45％-TiC 22％-TaC 33％；其中所述碳化促进剂为醛类物质。
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| CN1079996A (zh) * | 1992-06-08 | 1993-12-29 | 东北机器制造总厂 | 热加工用的轻质硬质合金 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 铃木寿等.The Relation Between Transverse-Rupture Strength and Structural Defects in P30 Cemented Carbide.《日本金属学术会志》.1986,第50卷(第8期), * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101348870A (zh) | 2009-01-21 |
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