CN102766795B

CN102766795B - 无磁模具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102766795B
Application number: CN201210267642.9A
Authority: CN
Inventors: 王晓灵
Original assignee: Zigong Cemented Carbide Co Ltd
Current assignee: Zigong Cemented Carbide Co Ltd
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: CN102766795A

Abstract

本发明涉及一种无磁模具材料及其制备方法。其合金配料成分中含TiC及/或TiN或Ti(C,N)：4wt.%～15wt.%；WC：70wt.%～85wt.%；TaC或NbC：1.0？wt.%～3.0？wt.%作为硬质相，含Ni为6？wt.%～13wt.%及0.5wt.%~2.0wt.%的Cr或Mo作为粘结相。其合金可达硬度HRA91.5～94.5抗弯强度可高达2500N/mm2，组织轻微脱碳，与钢无亲和性。因而与传统硬质合金拉拔模相比，具有硬度高、耐磨损、无磁性，不粘钢，抗塑性变形能力好，使用寿命长等优点。

Description

无磁模具材料及其制备方法

技术领域

本发明属于硬质合金材料，涉及一种金属管、线材拉拔模具用的新型无磁硬质合金材料，尤其涉及一种精密焊接钢管冷拉拔成型的无磁模具材料。

背景技术

在金属冷拉拔成型领域，拉拔模具通常采用天然金刚石、WC-Co硬质合金、人造金刚石或金刚石烧结体等材料制造。其中使用最广，用量最大的是WC基硬质合金材料，自WC-Co硬质合金诞生之日起至今一直是金属成型工具的理想用材，但随着技术的进步，人们对金属成型的精度及表面质量的要求越来越高，WC-Co硬质合金也越来越不能满足使用要求。

在钢管、线材拉拔领域，一般采用YG8（WC-8wt.%Co），YG6（WC-6wt.%Co）等传统的YG类硬质合金或涂层后来制作拉拔模具，而对于要求高的精密钢管，钢线等，传统YG类硬质合金无法胜任。因为YG8，YG6乃至YG3，YG6X等因为耐磨性不够而容易出现划伤，且模具工作面容易产生粘着磨损而出现麻面，积屑瘤，导致工件表面质量差，尺寸精度低，模具寿命短，生产效率低等不足，而涂层硬质合金在使用过程中涂层容易剥落且使用寿命短，成本高。例如中国专利CN 101773944A和CN 1406681A提及的精密钢管的拉拔成型就面临这种问题，为了避免或减轻这种困扰，需要对坯管表面进行酸洗、磷化、皂化等预处理，不但增加了工序，提高了成本，还会产生环境污染，而且拉拔出来的产品表面光亮度也较差。而采用本发明所述的材料制作的模具则可减少或取消此类处理工序，直接拉拔即可达到高精度且表面光洁度最高可达到Ra0.2，大大提高了产品质量和生产效率。

中国专利CN102296223A公布了一种细晶粒的WC基硬质合金材料及其制备方法，采用细晶粒的WC作为基质，含量为85~86%，以Mo或Ni作为粘结剂，占5~6%，以7~8%的TaC，VC，TiC中一种或多种为晶粒抑制剂，以1.0%的Cr₃C₂作为增硬剂，以1.0%的C，SiC或稀土金属作为增韧剂，从而得到高硬度，高韧性的无Co硬质合金材料。但因为其具有磁性，且还可能加入C增韧，说明该合金含有较饱和的碳量，同时，因为其TiC不是必加成分，所以不能降低与钢的亲和性，无法解决粘着磨损的问题。SiC或稀土金属成本较高，增加生产成本。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的不足，研究开发一种适合精密焊（钢）管冷拉拔成型用的硬质合金模具材料。其具有耐磨，与钢不亲和，高强度，抗塑性变形能力好的特点。

本发明的解决方案是在硬质合金原料粉末配比中，采用Ni作粘结金属，以WC、TiC、TiN、Ti(C,N)、TaC或NbC作为硬质相成分，同时控制合金碳量及组织，得到无磁、高硬度、高强度、与钢不亲和，抗塑性变形能力好的合金性能，从而实现其目的。

因此本发明所述的硬质合金材料关键在于其原料粉末配料成分为TiC：4.0份～15.0份，WC：70.0 份～85.0份，TaC或NbC：1.0 份～3.0 份， Ni：6.0 份～13.0 份，Cr或Mo 0.5份～2.0份。

上述配比优选为TiC：5.0份～13.0份，WC：70.0 份～85.0份，TaC或NbC：1.0 份～3.0 份， Ni：6.5 份～12.0 份，Cr或Mo：0.5份～2.0份的。

上述配比进一步优选为TiC：6.0份～11.0份，WC：76.0 份～83.0份，TaC或NbC：1.5 份～2.5 份， Ni：8.5 份～10.0 份，Cr或Mo：0.5份～1.0份的。

上述配比中TiC可以替换为TiC+ Ti(C,N)或TiC+ TiN，其中Ti(C,N)或TiN的加量不超过TiC+ Ti(C,N)或TiC+TiN总量的50%。

硬质相TiC粉末，其总碳含量为18.8 wt.%~19.4 wt.%（优选18.9 wt.%~19.2 wt.%），平均粒度不大于2.5μm，优选不大于2.0μm。

硬质相WC粉末，其总碳含量为6.10 wt.%~6.15 wt.%（优选6.11 wt.%~6.13 wt.%），平均粒度不大于1.0μm，优选不大于0.6μm。

上述硬质相WC、TiC、TiN、Ti(C,N)可以以固溶体的形式加入，如TiC-TiN-WC固溶体，TiC- WC-Ti(C,N)固溶体。

按照前述成分配制的混合料，采用无机溶剂（己烷、酒精、丙酮等）为球磨介质湿磨72~92小时，干燥、过筛后模压成型后经过烧结等常规粉末冶金工序获得致密的无磁硬质合金。

合金中所含元素重量比组分如下：

Ti：3.2份～12.2份，W：65.0 份～80.0份，Ta或Nb：0.9 份～3.0 份，Ni：6.0 wt.%～13.0 份，Cr或Mo： 0.5份～2.0份，C：3.7 份～8. 7 份，N：0～2.0 份，以及不可避免的其它杂质元素。

优选合金中所含元素重量比组分为Ti：4.06份～12.08份，W：65.72 份～79.8份，Ta或Nb：0.91份～2.81 份，Ni：6.5 wt.%～12.2 wt.%，Cr或Mo： 0.5份～2.0份，C：4.68份～6.76 份，N：0～0.71 份，以及不可避免的其它杂质元素。

上述烧结工序可选择如下步骤：在1320℃~1380℃温度下真空预烧结，再将预烧结模坯在1420℃~1460℃温度下压力烧结。

本发明原料粉末配料成分中添加TiC及/或TiN或Ti(C,N)的目的在于降低合金与钢的化学亲和性，提高硬度，避免产生粘着磨损，添加量控制在4.0wt.%～15.0wt.%，超过15.0wt.%时，合金脆性太大，强韧性变差；加量小于4.0wt.%时，不足于消除与钢的化学亲和性，抗粘钢性能不佳。

添加TaC或NbC的目的一是抑制晶粒长大，尤其是不均匀长大，以得到细晶组织，二是提高合金抗高温变形能力，加量控制在1.0 wt.%～3.0 wt.%，低于1.0%，效果不明显，高于3.0%，合金烧结致密化难度及材料成本增加。

Ni的作用是提供合金强韧性，加量宜控制在6.0 wt.%～13.0 wt.%，低于6.0 wt.%，合金强韧性不足，且烧结难度加大，高于13.0 wt.%则使合金硬度降低，抗磨粒磨损能力下降。

添加Cr或Mo的目的在于改善Ni对硬质相的润湿性，同时还可增强粘结相，一般控制在Ni含量的10%左右，因此加量控制范围为0.5份～2.0份，加量过大，Cr或Mo的单质或化合物容易在晶界偏析，降低晶界强度，合金强韧性变差。

上述的半成品生坯先真空预烧结的目的是脱除石蜡成型剂，控制较低碳量甚至轻微脱碳η02，消除合金磁性，同时脱碳相的存在，可以提高硬度，且进一步提高合金的抗粘钢性。碳量较高时，虽然有利于提高合金韧性，但同时合金也将显出磁性，工作时容易吸附氧化铁屑，加快模具磨损，还会划伤工件表面。

本发明合金硬度可达HRA91.5～94.5，抗弯强度可高达2500N/mm²，与钢无亲和性。因而与传统硬质合金拉拔模相比，具有硬度高、耐磨损、无磁性，不粘钢，抗塑性变形能力好，使用寿命长等优点。

附图说明

图1是合金显微组织×750 金相图片，箭头所指为脱碳组织。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。但不应将此理解为发明的上述主题的范围仅限于下述实施例。

以下实施例是用本发明材料制备精密焊管冷拉拔成型用的拉拔模的制备步骤：

A、湿磨配料：按表1实施例合金中所含的各元素重量比组分计算出原料粉末的重量成分配比如表2，所选取原料粉末符合工业生产标准。

其中：硬质相TiC粉末，总碳含量为19.0 wt.%，平均粒度2.07μm。硬质相WC粉末，总碳含量为6.12 wt.%，平均粒度0.42μm。

硬质相WC、TiC、TiN、Ti(C,N)可以以固溶体的形式加入，如TiC-TiN-WC固溶体，TiC- WC-Ti(C,N)固溶体。

表1 实施例合金的成分

编号	Ti	C	N	W	Ta	Ni	Cr	Mo
									实施例1	4.86	6.32	0	77.92	1.40	9.0	0.5	0
实施例2	5.86	6.05	0.22	77.36	0.91	8.6	1.0	0
									实施例3	8.96	6.76	0	71.34	2.34	10.0	0	0.6
实施例4	4.06	6.24	0	79.80	1.40	6.5	2.0	0
									实施例5	12.08	4.68	0.71	65.72	2.81	12.2	0	1.8

表2实施例合金的配料成分

编号	TiC	Ti(C,N)	WC	TaC	Ni	Cr	Mo
								实施例1	6.0	0	83.0	1.5	9	0.5	0
实施例2	5.0	2.0	82.4	1.0	8.6	1.0	0
								实施例3	11.0	0	76.0	2.4	10	0	0.6
实施例4	5.0	0	85.0	1.5	6.5	2.0	0
								实施例5	7.0	6.0	70.0	3.0	12.2	0	1.8

B、原料粉末置于球磨机内，本实施例湿磨介质为已烷；按照表3工艺进行湿磨。湿磨混合70~90小时后、加石蜡2.0kg继续球磨2小时混合均匀。

C、所得球磨混合粉料送入真空干燥器中干燥处理以除去湿磨介质，冷却后经过筛均化处理、得混合粉料待用；

D、将所得混合粉料装入模具中，压制成拉拔模半成品生坯；

E、预烧结:将半成品送入真空炉内按照表3工艺进行预烧结。1320℃-1380℃温度下真空烧结60-90分钟，预合金化后随炉冷却；

G、烧结：将经步骤B预烧结后的半成品送入低压烧炉内，按照表3工艺进行烧结，在1420℃-1460℃下保压烧结30-60分钟，保压压力5Mpa。随炉冷却后即得目的制品。

表3球磨和烧结工艺表

表4 实施例合金的性能测试结果

将所得制品进行成分及性能检测并进行精密焊管拉拔试验，拉拔φ27.4×φ25 焊管，拉拔后钢管光洁度要达Ra0.2，尺寸精度符合要求，以拉拔钢管的重量作为模具使用寿命。结果见表4。

测试结果表明，本发明合金硬度达到91.5~94.5 HRA，强度最高可达2500以上，无磁，均有脱碳相，除实施例3脱碳相数量略少于η02，其余均轻微脱碳η02。图1所示为实施例1的断口金相组织，放大倍数750倍，金相断口出现均匀弥散的细小脱碳相（即图中箭头所指部位，箭头系添加，非断口金相组织图本身所有）。硬质相晶粒度为0.6-1.0μm，不粘钢。单次使用寿命最高可达4.5吨，模具失效形式主要是因摩擦导致的光洁度变差及轻微的划痕，抛光后即可重复使用，总体寿命可达100吨以上，较好的满足了客户的需求。

在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，本发明实施例可以具体化为其他具体的形式。如预烧结工序可以与烧结工序在同一炉内完成。烧结时也可以采用普通烧结工艺，即压力烧结不是必须的。因此本发明的实例可以认为在所有方面均是说明性和没有限制性的，由附加的权利要求所表明的本发明范围胜于上述说明书的范围，因此在其内涵和权利要求等效范围之内的所有变化均包含在其所要求保护的范围之中。

Claims

1.一种无磁模具材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成:

Ti：3.2～12.2份，

W：65.0份～80.0份，

Ta或Nb：0.9份～3.0份，

Ni：6.0份～13.0份，

Cr或Mo：0.5份～2.0份，

C：3.7份～8.7份，

N：0～2.0份；

上述材料中有脱碳相。

2.如权利要求1所述的无磁模具材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成:

Ti：4.06～12.08份，

W：65.72份～79.8份，

Ta或Nb：0.91份～2.81份，

Ni：6.5份～12.2份，

Cr或Mo：0.5份～2.0份，

C：4.68份～6.76份，

N：0～0.71份。

3.一种无磁模具材料，包含硬质相和粘结金属相，其特征在于：

所述硬质相至少由以下一组组成:

(1)TiC、WC、TaC

(2)TiC、Ti(C,N)、WC、TaC

(3)TiC、TiN、WC、TaC

(4)TiC、WC、NbC

(5)TiC、Ti(C,N)、WC、NbC

(6)TiC、TiN、WC、NbC

所述粘结相金属至少由以下一组组成:

(1)Ni、Cr

(2)Ni、Mo

所述硬质相与粘结金属的重量配比如下：

TiC或TiC、TiN或TiC、Ti(C,N)：4.0份～15.0份；其中TiN的加量不超过TiC和TiN总量的50％；或Ti(C,N)的加量不超过TiC和Ti(C,N)总量的50％；

WC：70.0份～85.0份，

TaC或NbC：1.0份～3.0份，

Ni：6.0份～13.0份，

Cr或Mo 0.5份～2.0份；

上述材料中有脱碳相。

4.按权利要求3所述的无磁模具材料，其特征在于：所述硬质相和粘结金属相由以下重量份的组分组成:

TiC或TiC、TiN或TiC、Ti(C,N)：5.0份～13.0份；其中TiN的加量不超过TiC和TiN总量的50％；或Ti(C,N)的加量不超过TiC和Ti(C,N)总量的50％；

WC：70.0份～85.0份，

TaC或NbC：1.0份～3.0份，

Ni：6.5份～12.0份，

Cr或Mo 0.5份～2.0份。

5.按权利要求3所述的无磁模具材料，其特征在于：所述硬质相和粘结金属相由以下重量份的组分组成:

TiC或TiC、TiN或TiC、Ti(C,N)：6.0份～11.0份，其中TiN的加量不超过TiC和TiN总量的50％；或Ti(C,N)的加量不超过TiC和Ti(C,N)总量的50％；

WC：76.0份～83.0份，

TaC或NbC：1.5份～2.5份，

Ni：8.5份～10.0份，

Cr或Mo 0.5份～1.0份。

6.一种如权利要求3-5任一项所述的无磁模具材料，其特征在于：合金的硬质相的固溶相晶粒度为0.6μm～1.2μm。

7.按权利要求1或3所述的无磁模具材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A配料：选取原料粉末，所述原料粉末包括硬质相粉末和粘结相粉末；原料粉末工艺配比如下：

TiC或TiC、TiN或TiC、Ti(C,N)：4.0份～15.0份，WC：70.0份～85.0份，TaC或NbC：1.0份～3.0份，Ni：6.0份～13.0份，Cr或Mo 0.5份～2.0份；其中TiN的加量不超过TiC和TiN总量的50％；或Ti(C,N)的加量不超过TiC和Ti(C,N)总量的50％；

B球磨：将原料粉末投入球磨机进行球磨，球磨时间72-92小时；

C干燥：将球磨混合料干燥、过筛，得到混合料；

D压制：混合料经压制成型，获得具有一定强度的半成品；

E烧结：

E-1预烧结，半成品在1320℃-1380℃温度下，烧结时间60-90分钟，真空预烧结；

E-2烧结：1420℃～1460℃温度下烧结，保温时间30-60分钟。

8.按权利要求7所述的无磁模具材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤A原料粉末工艺配比如下：

TiC或TiC、TiN或TiC、Ti(C,N)：6.0份～11.0份，WC：76.0份～83.0份，TaC或NbC：1.5份～2.5份，Ni：8.5份～10.0份，Cr或Mo：0.5份～1.0份的；其中TiN的加量不超过TiC和TiN总量的50％；或Ti(C,N)的加量不超过TiC和Ti(C,N)总量的50％。