CN102672144A

CN102672144A - 一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN102672144A
Application number: CN2012101002912A
Authority: CN
Inventors: 鲍崇高; 孔维民; 侯书增; 李曙生; 王崇高
Original assignee: TAIZHOU YONGCHANG METALLURGICAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: TAIZHOU YONGCHANG METALLURGICAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-09-19

Abstract

一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法，首先制作碳化钨陶瓷/增强体，再给碳化钨陶瓷增强体的一端焊接铁钉，然后在焊有铁钉的碳化钨陶瓷增强体表面镀金属缓冲层，再制作易磨损件模型，把制备好的碳化钨陶瓷插入易磨损件模型中，铁钉朝外，采用消失模铸造工艺，浇铸成型后，取出铸件，切除铁钉，用金刚石砂轮把工作面打磨平整，然后对工件进行热处理，该复合材料增强相分布均匀、体积分数可控范围大，界面残余应力小、热影响区小、结合良好，复合材料碳化钨陶瓷位于易磨损件的工作面表层，其厚度为10～15mm，可用于制作矿山、建筑、冶金、电力等领域的常温或高温耐热耐磨易损件。

Description

一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法

所属技术领域：

本发明属合金材料制造技术领域，具体涉及一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法。

背景技术：

碳化钨陶瓷(主要为Co-WC硬质合金)由于具有高硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，广泛应用于金属加工、矿山开采等领域，但碳化钨陶瓷制造成本高，脆性较大，不宜用于受冲击力较大的易磨损件。此外，随着我国工业的飞速发展，碳化钨陶瓷的应用范围和用量也在逐年增多，各种报废的碳化钨陶瓷工具如钻头、铣刀、铰刀、车刀等以及制备工具时的料头也相应增多；由于目前碳化钨陶瓷回收再造工艺存在能耗大、设备复杂、环境污染严重等问题，故报废的碳化钨陶瓷没有得到充分有效地利用，而这些报废的碳化钨陶瓷经过简单的切割加工可制成耐热耐磨复合材料所需的增强相。因此，利用回收报废的碳化钨陶瓷作为增强相制备耐热、耐磨复合材料，一方面可以为国家节约能源、保护环境，另一方面也可大大降低复合材料的制造成本。

通过复合制备技术将碳化钨陶瓷废料与韧性好、强度高、价格低廉的铁基合金复合，制备表层耐热、耐磨的复合材料，获得碳化钨陶瓷的高硬度、高耐热、耐磨性的同时具有较高的强度和良好的韧性，且可以节约昂贵的碳化钨陶瓷，降低耐热、耐磨零件的成本，扩大碳化钨陶瓷的应用范围。

虽然一些碳化钨陶瓷/铁基复合材料产品已经在工业中开始应用，并取得了一定的经济效益，但由于仍存在以下问题限制了其使用范围。(1)由于碳化钨陶瓷与铁基合金线(膨)胀系数相差悬殊，因此在界面会产生较大的残余应力，在随后的热处理和使用过程中，工件容易开裂，特别是随着碳化钨陶瓷体积分数的增大，残余应力也相应增大，导致复合材料在制备、热处理和使用过程中经常开裂，更无法制备具有高体积分数(大于30％)增强相的高耐热、耐磨复合材料。(2)在制备过程中，由于界面处碳化钨陶瓷的熔化以及元素的相互扩散，会形成含有大块状脆性η相(Fe₃W₃C，Co₃W₃C，或(Fe，Co)₃W₃C等)区域，该区域常常是工件发生开裂的裂纹萌生源。因此，制备韧性好、防止开裂的碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料及其制备技术急需提高。

发明内容：

为实现碳化钨陶瓷回收和再制造，并克服上述耐热、耐磨复合材料制备技术的现有缺点，本发明的目的是提供一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法是将碳化钨陶瓷废料经过切割加工制成碳化钨陶瓷/耐热合金基增强体，然后在增强体的一端焊接铁钉，再在铁钉的表面镀金属缓冲层；根据耐热、耐磨易损件的工况，设计碳化钨陶瓷/耐热合金的形状、尺寸、排列方式和体积分数，制作易磨损件模型上安插碳化钨陶瓷的盲孔，将制备好的碳化钨陶瓷/耐热合金插入易磨损件模型中，浇铸成型后，取出铸件，切除铁钉，用金刚石砂轮把工作面打磨平整，然后对工件进行热处理。

附图说明：

图1为碳化钨陶瓷和铁钉钎焊装夹示意图。

图2(a)为耐热合金电镀金属镀层后的结构示意图。

图2(b)为图2(a)的A-A剖面图。

图3为磨煤机衬瓦的易磨损件模型示意图。

图4为碳化钨陶瓷和磨煤机衬瓦模型装配图。

图5为耐热、耐磨复合材料磨煤机衬瓦的成品结构图。

图中(1)为碳化钨陶瓷废料，(2)为铁钉，(3)为焊料，(4)为专用夹具，(5)为金属镀层，(6)为易磨损件模型，(7)为盲孔，(8)为耐热、耐磨复合材料磨煤机衬瓦的成品。

本发明的具体实施方式：

一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将碳化钨陶瓷废料(1)经过切割加工制成所需形状和尺寸的碳化钨陶瓷/耐热合金基增强体，除油后进行喷砂处理，最后进行清洗；

步骤2，对步骤1处理过的碳化钨陶瓷/耐热合金基增强体的一端焊接铁钉(2)，焊接采用真空钎焊工艺，钎焊料(3)选用厚度0.2～0.5mm的高熔点箔状钎料BCu81Ni；

步骤3，通过电镀工艺在焊有铁钉(2)的碳化钨陶瓷/耐热合金基增强体表面镀金属缓冲层(5)，碳化钨陶瓷/耐热合金若以Co为粘结剂，需先电镀一层镍，厚度为40～80μm，然后再电镀一层铁，厚度为160～200μm；碳化钨陶瓷/耐热合金若以Ni、Fe或其合金为粘结剂，只需镀一层铁，厚度为200～250μm；

步骤4，根据耐热、耐磨易损件的工况，设计碳化钨陶瓷/耐热合金的形状、尺寸、排列方式和体积分数，体积分数可控范围为：20％～50％，并据此制作易磨损件模型(6)上安插碳化钨陶瓷的盲孔(7)，易磨损件模型(6)为聚苯乙烯泡沫模型或石蜡模型；

步骤5，把制备好的碳化钨陶瓷/耐热合金插入易磨损件模型(6)中，铁钉(2)朝外；

步骤6，浇铸成型后，取出铸件，切除铁钉(2)，用金刚石砂轮把工作面打磨平整，然后对工件进行热处理。

浇铸方法采用消失模铸造，浇铸时把模型放到可抽真空的沙箱里，抽真空，真空度为0.02Mpa～0.08Mpa，浇注温度：铸铁为1350℃～1450℃，铸钢为1450℃～1550℃。

所述碳化钨陶瓷是指Co-WC，耐热合金基体是指耐热合金铸铁或耐热合金耐热钢。

本发明的有益效果是：本发明的碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料增强相分布均匀、体积分数可控范围大，界面残余应力小、热影响区小、结合良好，耐热、耐磨、耐腐蚀，复合材料碳化钨陶瓷位于易磨损件的工作面表层，其厚度为10～15mm，可用于制作矿山、建筑、冶金、电力等领域的常温或高温耐热、耐磨易损件。

实施例

下面以制备ZGM110型(产量：5～8t/h，磨盘直径：1100mm，转速：50r/min，功率：110KW)磨煤机衬瓦为例，并结合附图，对本发明进一步说明，ZGM110型产量：5～8t/h，磨盘直径：1100mm，转速：50r/min，功率：110KW。

步骤1，将碳化钨陶瓷废料(1)经过切割加工制成所需形状和尺寸的复合材料增强体，挑选YG8牌号的碳化钨陶瓷废料，经过线切割加工成尺寸为Φ5mm×8mm的碳化钨陶瓷增强体，除油后进行喷砂处理，最后进行清洗；

步骤2，对步骤1处理过的碳化钨陶瓷增强体的一端焊接铁钉(2)，焊接采用真空钎焊工艺，钎焊料(3)选用厚度0.2～0.5mm的高熔点箔状钎料BCu81Ni；

焊接工艺步骤如下：

①对碳化钨陶瓷增强体焊接端面、铁定(2)尾部端面，以及箔状焊料(3)打磨清洗，并把焊料(3)裁剪成铁钉(2)尾部大小；

②如附图1所示，把裁好的焊料(3)放在碳化钨陶瓷废料(1)端部和铁钉(2)尾部之间，并采用石墨制专用夹具(4)夹紧，保证夹紧力均匀，然后放入真空炉内；

③冷态抽真空到5×10^-2Pa，以500℃/h的速率加热到1000℃，稳定20～30min，再以300℃/h的速率加热到1150℃，保温时间为10min，然后随炉冷却；

④冷却至室温出炉，拆卸夹具便得到所需部件；

步骤3，通过电镀工艺在焊有铁钉(2)的碳化钨陶瓷废料(2)表面镀金属缓冲层，碳化钨陶瓷废料(1)以Co为粘结剂，需先电镀一层镍，镀层厚度为40～80μm，然后再电镀一层铁，镀层厚度为160～200μm，镀层的目的：第一，可以阻止或减少界面生成脆性硬质η相(Fe₃W₃C，Co₃W₃C，或(Fe，Co)₃W₃C)；第二，塑性好的镀层可以充当应力缓冲层，减小界面残余应力，防止裂纹的产生；第三，镀层可以减小碳化钨陶瓷的热影响区，提高碳化钨陶瓷的利用率。此外，镀层应延伸到碳化钨陶瓷废料(1)和铁钉(2)连接处，这样可提高其连接强度，防止碳化钨陶瓷废料(1)在浇铸过程中倾斜或移位，碳化钨陶瓷废料(1)电镀金属镀层(5)后的结构如附图2所示；

步骤4，根据耐热、耐磨易损件的工况，设计耐热合金的形状、尺寸、排列方式和体积分数，体积分数可控范围为：20％～50％，并据此制作易磨损件模型(6)上安插碳化钨陶瓷的盲孔(7)，易磨损件模型(6)为聚苯乙烯泡沫模型或石蜡模型，模型结构如附图3所示；

步骤5，把制备好的碳化钨陶瓷插入易磨损件模型(6)中，铁钉(2)朝外；

步骤6，浇铸成型后，取出铸件，切除铁钉，用金刚石砂轮把工作面打磨平整，然后对工件进行热处理，淬火处理工艺为：加热温度960～980℃，升温速度为：80～100℃/h，保温8～10h，空冷；去应力处理工艺为：加热温度260～300℃，保温8～10h，炉冷，制备的磨煤机衬瓦成品(8)如附图5所示。

浇铸方法采用消失模铸造，浇铸时把模型放到可抽真空的沙箱里，抽真空，以保证金属充分渗透增强体，不出现冷隔或浇不足的现象，真空度为0.02Mpa～0.08Mpa，浇铸温度为1350～1450℃。

耐热合金选择耐热铸铁材料，利用中频感应炉熔炼，基材化学成分的重量百分比(wt％)为：0.35～0.45C，0..6～1.0Si，0.8～1.2Mn，24.5～26.5Cr，1.5～3.0Mo，1.8～2.2Cu，0.01～0.03P，0.01～0.03S，余为Fe；

使用实践表明，碳化钨陶瓷/耐热铸铁基耐热耐磨复合材料磨煤机衬瓦与耐热铸铁磨煤机衬瓦相比成本增加了25％，但其耐热耐磨性能提高了8倍，具有很高的性价比。

Claims

1.一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

步骤1，将碳化钨陶瓷废料经过切割加工制成所需形状和尺寸的复合材料增强体，除油后进行喷砂处理，最后进行清洗；

步骤2，给步骤1处理过的碳化钨陶瓷增强体的一端焊接铁钉，焊接采用真空钎焊工艺，钎料选用厚度0.2～0.5mm的高熔点箔状钎料BCu81Ni；

步骤3，通过电镀工艺在焊有铁钉的碳化钨陶瓷表面镀金属缓冲层，碳化钨陶瓷若以Co为粘结剂，需先电镀一层镍，厚度为40-80μm，然后再电镀一层铁，厚度为160-200μm；碳化钨陶瓷若以Ni、Fe或其合金为粘结剂，只需镀一层铁，厚度为200-250μm；

步骤4，根据耐热耐磨易损件的工况，设计碳化钨陶瓷的形状、尺寸、排列方式和体积分数，体积分数可控范围为：20％～50％，并据此制作易磨损件模型上安插碳化钨陶瓷的盲孔，易磨损件模型为聚苯乙烯泡沫模型或石蜡模型；

步骤5，把制备好的碳化钨陶瓷插入易磨损件模型中，铁钉朝外；

步骤6，浇铸成型后，取出铸件，切除铁钉，用金刚石砂轮把工作面打磨平整，然后对工件进行热处理。

2.根据权利要求1所述的一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述的浇铸方法采用消失模铸造工艺，浇铸时把模型放到可抽真空的沙箱里，抽真空，真空度为0.02Mpa～0.08Mpa，浇注温度：铸铁为1350℃～1450℃，铸钢为1450℃～1550℃。

3.根据权利要求1所述的一种碳化钨陶瓷/耐热合金基耐热、耐磨复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳化钨陶瓷是指Co-WC，耐热合金基体是指耐热铸铁或耐热合金耐热钢。