一种高硬度刀具用复合材料及制备方法
技术领域:
本发明属于机械加工材料领域,涉及一种高硬度刀具用复合材料及制备方法。
背景技术:
CN201010553047.2公开了一种高韧性超粗晶钨钴硬质合金的制备方法,其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、干燥、预烧处理、湿混、干燥、掺成形剂、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结;配料时选用钴粉和碳化钨粉进行混合配料,钴粉与碳化钨粉的质量之比为2.4~2.6∶97.4~97.6;将预烧处理后的混合料再加入金属钴粉和Co2W4C纳米颗粒,混合料中的钴与碳化钨的质量之比为8~13∶87~92,Co2W4C纳米颗粒的加入量要达到使混合料中的钴与Co2W4C纳米颗粒的质量之比为1∶0.045~0.055。通过其制备的硬质合金的WC平均晶粒度达到4.0~5.2μm,抗弯强度达到3000~3400MPa,硬度HRA88.0~90.8。
CN200810204422.5涉及一种锰钢加工用硬质合金刀具材料及其制备方法和应用,该硬质合金刀具材料含碳化钛6.5~20%wt,碳化钽6.5~20%wt,钴8~13%wt,余量为1~ 5μ碳化钨。与现有刀具材料相比,本发明具有较高的抗热疲劳和抗冲击性能,同时具有较好的抗前面磨损能力,在加工锰钢钢轨道叉时,具有较高的寿命,与CeW、 CeT类合金相比,耐用度可提高50~100%。
但存在的问题是钴粉做粘接剂成本高,而且耐用度不够高。
发明内容:
本发明的目的就是针对上述技术缺陷,提供一种高硬度刀具用复合材料,该复合材料具有高抗弯强度。
本发明的另一目的是提供一种高硬度刀具用复合材料制备方法,该制备方法工艺简单,生产成本低,适于工业化生产。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种高硬度刀具用复合材料,该复合材料各成分的质量百分含量为:碳化铁为5-8%,碳化锆为20-30%,金刚石为15-20%,钴锆中间合金为10-15%,其中Co和Zr的摩尔比为11:2,Y为0.05-0.1%,其余为碳化钛。
上述高硬度刀具用复合材料的制备方法,其制备过程如下:
按如下质量百分含量配置粉料并混合,碳化铁为5-8%,碳化锆为20-30%,金刚石为15-20%,钴锆中间合金为10-15%,Y粉为0.05-0.1%,其余为碳化钛粉;
碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、钴锆中间合金粉、Y粉、碳化钛粉混合后,装入球磨机中,球磨达到颗粒尺寸为50-100微米后取出;然后放入模具压实,压实力为20Mpa;脱模后放入烧结炉中加热,升温速度为70~90℃/分钟,到达1290℃后保温20~30分钟后随炉冷却,得到高抗弯强度刀具用复合材料。
本发明相比现有技术具有如下有益效果:
本发明制备的高硬度刀具用复合材料,采用硬度高的碳化钛、碳化锆和金刚石粉,保证了刀具的高硬度;采用钴锆中间合金粉体做粘接材料,并考虑用稀土进行改性,来改善材料的韧性和抗弯强度。
本发明还采用成本低、硬度较高的碳化铁,以及不采用价格高的金属钴来降低刀具的材料成本。钴锆中间合金粉在1270℃分解出Zr6Co23和Co-Zr合金液体,Zr6Co23沉积在碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、碳化钛粉上,起改善Co-Zr合金液体和粉体结合界面的作用;Co-Zr合金液体包围碳化铁粉、碳化锆粉、Y粉、金刚石粉、碳化钛粉,起连接化合物颗粒作用,Y熔入Co-Zr合金液体,可起强化粘结剂合金的作用。
本发明的合金性能见表1。
本发明制备中,不使用纯钴金属,所用原料成本低,材料成本大大降低。该复合材料制备工艺简便,生产周期短。而且生产成本低,非常便于工业化生产。由于硬质材料和粘接剂合金的良好配合,本发明的刀具材料具有较高的抗弯强度和硬度,具备耐磨又耐冲击且质量稳定的特点。
附图说明:
图1为本发明实施例一高硬度刀具用复合材料组织。
由图1可以看出复合材料的组织致密,物相分布均匀。
具体实施方式
实施例一:
复合材料的成分(质量比%)按如下配料:碳化铁为5%,碳化锆为20%,金刚石为15%,钴锆中间合金为10%,Co和Zr的摩尔比为11:2,Y为0.05%,其余为碳化钛。
按上述配比取碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、钴锆中间合金粉(Zr2Co11)、Y粉、碳化钛粉混合后,装入球磨机中,球磨达到颗粒尺寸为50-100微米后取出;然后放入模具压实,压实力为20Mpa;脱模后放入烧结炉中加热,升温速度为80℃/分钟,到达1290℃后保温30分钟后随炉冷却,得到高抗弯强度刀具用复合材料。
实施例二:
复合材料的成分(质量比%)按如下配料:碳化铁为8%,碳化锆为30%,金刚石为20%,钴锆中间合金为15%,Co和Zr的摩尔比为11:2,Y为0.1%,其余为碳化钛。
按上述配比取碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、钴锆中间合金粉(Zr2Co11)、Y粉、碳化钛粉混合后,装入球磨机中,球磨达到颗粒尺寸为50-100微米后取出;然后放入模具压实,压实力为20Mpa;脱模后放入烧结炉中加热,升温速度为90℃/分钟,到达1290℃后保温20分钟后随炉冷却,得到高抗弯强度刀具用复合材料。
实施例三:
复合材料的成分(质量比%)按如下配料:碳化铁为7%,碳化锆为25%,金刚石为18%,钴锆中间合金为13.5%,Co和Zr的摩尔比为11:2,Y为0.08%,其余为碳化钛。
按上述配比取碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、钴锆中间合金粉(Zr2Co11)、Y粉、碳化钛粉混合后,装入球磨机中,球磨达到颗粒尺寸为50-100微米后取出;然后放入模具压实,压实力为20Mpa;脱模后放入烧结炉中加热,升温速度为75℃/分钟,到达1290℃后保温25分钟后随炉冷却,得到高抗弯强度刀具用复合材料。
实施例四:(成份配比不在本案设计范围内实例)
复合材料的成分(质量比%)按如下配料:碳化铁为5-8%,碳化锆为15%,金刚石为11%,钴锆中间合金为8%,Co和Zr的摩尔比为11:2,Y为0.03%,其余为碳化钛。
按上述配比取碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、钴锆中间合金粉(Zr2Co11)、Y粉、碳化钛粉混合后,装入球磨机中,球磨达到颗粒尺寸为50-100微米后取出;然后放入模具压实,压实力为20Mpa;脱模后放入烧结炉中加热,升温速度为90℃/分钟,到达1290℃后保温30分钟后随炉冷却,得到高抗弯强度刀具用复合材料。
实施例五:(成份配比不在本案设计范围内实例)
复合材料的成分(质量比%)按如下配料:碳化铁为10%,碳化锆为35%,金刚石为21%,钴锆中间合金为18%,Co和Zr的摩尔比为11:2,Y为0.2%,其余为碳化钛。
按上述配比取碳化铁粉、碳化锆粉、金刚石粉、钴锆中间合金粉(Zr2Co11)、Y粉、碳化钛粉混合后,装入球磨机中,球磨达到颗粒尺寸为50-100微米后取出;然后放入模具压实,压实力为20Mpa;脱模后放入烧结炉中加热,升温速度为70/分钟,到达1290℃后保温30分钟后随炉冷却,得到高抗弯强度刀具用复合材料。
结合下表中各产品的性能参数:
表1 各产品的性能参数
合金编号 |
成分 |
抗弯强度/MPa |
硬度/HRA |
对比材料1 |
CN201010553047.2 |
3000~3400 |
88.0~90.8 |
对比材料2 |
CN200810204422.5 |
1600-2500 |
89-92.5 |
产品一 |
实施例一制得的产品 |
3380 |
94 |
产品二 |
实施例二制得的产品 |
3450 |
95 |
产品三 |
实施例三制得的产品 |
3450 |
96 |
产品四 |
实施例四制得的产品 |
3100-3150 |
90 |
产品五 |
实施例五制得的产品 |
3200 |
92 |
由上表产品一、二、三可见,碳化铁、碳化锆、金刚石、钴锆中间合金粉、Y粉提高,利于抗弯强度和硬度的提高。其中碳化铁、碳化锆、金刚石提高合金的硬度,钴锆中间合金粉、Y粉提高材料的粘结强度,因此提高材料的抗弯强度。但是,碳化铁、碳化锆、金刚石为、钴锆中间合金粉、Y粉过高,抗弯强度和硬度都会受到影响。因为碳化铁、碳化锆、金刚石增高,碳化钛含量会降低,不仅影响材料的硬度,还会影响抗弯强度。
由上表可见,产品四、五中,碳化铁、碳化锆、金刚石、钴锆中间合金粉、Y粉加入量不够,不能保证碳化铁、碳化锆、金刚石、钴锆中间合金粉、Y粉的硬度和强化材料的作用,碳化铁、碳化锆、金刚石、钴锆中间合金粉、Y粉加入量过多,碳化钛含量会降低,不仅影响材料的硬度,还会影响抗弯强度。