CN102796934A

CN102796934A - 一种盾构机刀具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102796934A
Application number: CN2012102323605A
Authority: CN
Inventors: 杨明; 熊计; 郭智兴
Original assignee: Deyang Siyuan Heavy Industry Co Ltd; Sichuan University
Current assignee: Deyang Siyuan Heavy Industry Co Ltd; Sichuan University
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: CN102796934B

Abstract

本发明公开了一种盾构机刀具材料及其制备方法，其特征是采用6.0～10.0μm的高碳WC，并添加0.4～1.0wt%的（W,Ti,Ta,Nb）C多元固溶体。多元固溶体中的Ti,Ta,Nb等元素，以及其中的游离碳弥散分布在WC晶粒附近，可诱导硬质合金中WC晶粒（0001）基面在烧结过程中的择优生长。本发明的盾构机刀具硬质合金材料制备方法避免了对粗颗粒WC原料的依赖，工艺控制简单，利用WC晶粒的择优生长可获得强度、硬度与耐磨性良好的粗晶粒硬质合金，可用于盾构机的各类刀具。

Description

一种盾构机刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种刀具材料及其制备方法，特别是用于盾构机刀具的硬质合金材料及制备方法，属于硬质合金材料领域。

背景技术

盾构机是盾构施工方法的主要施工机械,它实质就是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。根据地质条件的变化,以及盾构机械的发展与改进,在钢筒结构的前端、中段、尾部以及盾构后续部分与地面上,综合配有各种不同的挖掘、顶进、转向、支护、排渣、衬砌、运输等机械,形成一个完整的施工机械系统。盾构施工经验表明,盾构刀具承受着来自地下土质、水压等持续和变化着的挤压、冲击、刮削等作用。硬质合金刀片工作面受挤压、刮削而产生强力磨损,当冲击力超过合金材料能承受的强度极限时则导致刀片崩裂。在苛刻的施工工况下,装机及更换维修用的盾构刀具磨损严重、断裂失效等情况时常发生,这对于作为承载主要切削作用的硬质合金刀片材料性能提出了很高的要求。

201120013488.3公开了一种盾构机用组合中心刀，主要包括主刀体和先行刀刀头。特点是通过在主刀体的凹槽内焊接六个先行刀刀头，并且在主刀体的凹槽中钎焊硬质合金条，在主刀体和先行刀刀头的刀体表面上堆焊耐磨层，使其具有了先行刀与中心刀的双重功能。201020162458.4公开了一种盾构机刀具，它包括刀柄、刀体，所述刀体的刃口上设有沿刃口方向延伸的凹槽，所述的凹槽内焊接有一硬质合金体，所述凹槽外围的刀体刃口上设有耐磨层。201120272826.5公开了一种盾构机用圆柱形先行刀，包括下端安装有硬质合金体的刀体，所述刀体采用圆柱体结构，其上端中部开设有轴孔，所述轴孔内过盈配合安装有刀轴，所述刀体的上端面开设有用于所述先行刀装卸的两螺纹孔，所述刀轴端部中心位置均开设有用于将所述先行刀固定在其刀盒内的一个螺纹孔。刀体采用圆柱体结构，其结构简单，刀体的上端中部开有轴孔，所述轴孔内过盈配合安装有刀轴，开设的轴孔为一通孔，加工方便，该圆柱形先行刀具有结构简单、加工方便、制造成本低、在刀盒中固定性能好的优点。按照设计要求,硬质合金刀片与钢基刀体,通过焊接制成盾构刀具。但上述关于盾构机刀具的实用新型专利均是关于刀具的结构，而未涉及到盾构机刀具的硬质合金材料特征。

为了提高盾构机硬质合金合金刀具应对大能量冲击载荷和抗强力磨损的能力,盾构机刀具的开发主要着眼于粗WC晶粒硬质合金。WC晶粒越粗，抗弯强度越高，冲击韧性越好，而硬度与耐磨性下降。目前多采用10～15μm，甚至20～30μm的粗颗粒WC原料粉末，以确保经球磨、压制和烧结后获得粗晶粒硬质合金；同时，一般添加一定比例的1～3μm的细颗粒WC形成所谓的非均匀结构（或双峰结构），以便在确保硬质合金在具有高强度和抗冲击性的同时，具有较高的硬度和耐磨性。

200710035791.1公开了一种粗晶粒硬质合金及其制备方法，制备配料采用Fsss粒度为11.0～15.0μm接近单晶的粗颗粒 WC粉，以及TaC粉和Co粉；真空烧结温度为1450～1520℃；TaC∶Co＝0.045～ 0.055。200810031231.3公开了一种热墩模具用材料及其制备工艺。其产品的成份及重量百分比为：钴12～20％，镍3～10％，20～25μm的碳化钨50～70％，1.0～1.5μm的碳化钨10～30％。201010195748.3公开了一种适于焊接加工的球齿钎头用硬质合金，Co 含量为6％～8％，余量为WC。其中粗颗粒WC粉的粒度范围为10～15μm，细颗粒WC粉的粒度范围为2.0～3.0μm，粗颗粒WC粉与细颗粒WC粉的重量比为4∶1～3∶2。本发明由于采用了两种不同粒径的WC作为原料，使合金组织中的WC晶粒为非均匀结构，合金组织中粗细WC交错搭配，有效地协调硬质合金的耐磨性和韧性。03124861.6公开了一种钨钴硬质合金的制备方法，包括将WC粉与(10～11)wt％的Co粉经配料、湿磨、干燥、掺成形剂制粒、压制成形、脱成型剂、烧结等步骤，配料时选用粗细两种颗粒的WC粉，其中粗颗粒WC粉的粒度为(20～30)μm，细颗粒WC粉的粒度为(1.2～1.8)μm，粗颗粒WC粉与细颗粒WC粉之重量比为60∶40～80∶20。采用本发明方法可有效地协调硬质合金耐磨性和韧性，提高合金的综合性能。同时也有多个专利采用同样的粗细搭配方案制备了含Co为4～6wt％，6～8 wt％,8～9 wt％,9～10 wt％的粗颗粒硬质合金。

但是，上述制造粗晶粒硬质合金的方法存在以下问题：（1）粗颗粒WC原料粉末，特别是20～30μm粗颗粒WC制备困难,难以获得。（2）粗颗粒WC晶体中通常存在大量的空位、位错等晶体缺陷，因此对硬质合金性能造成不利影响。（3）特粗颗粒的WC粉末在球磨时会在一定程度上被破碎。第四，粗颗粒WC和细颗粒WC粉末的分散行为不同，为提高硬度和耐磨性而在粗颗粒WC中添加一定比例细颗粒WC容易造成WC分散不均匀甚至WC聚集。

可见，采用粗颗粒WC及粗细搭配的方式获得粗颗粒硬质合金存在诸多问题。因此，寻找制备具有高强韧性和优异硬度耐磨性的粗颗粒硬质合金的新方法，具有重要意义。必须指出的是，WC为六方晶系的各向异性晶体，其晶面取向或晶面指数的不同而其物理、机械性能也不同。基面（0001）和棱面（1-100）面的维氏硬度分别为HV2100和HV1080，前者是后者的一倍多。基于此，在粗颗粒硬质合金中控制WC晶粒的（OOO1）面择优生长，提高其比例，则可实现粗晶粒硬质合金的强韧性和硬度耐磨性的综合要求，并避免上述问题。

发明内容

目前，盾构机刀具用粗晶粒硬质合金制造过程中，为获得粗大的晶粒度和高的强度和抗冲击性，追求使用粒度越来越高的粗颗粒WC原料粉末；同时为保证一定的硬度与耐磨性而添加一定比例细颗粒WC，这对原料和工艺控制都提出了高的要求。因此，本发明针对目前存在的问题，采用6.0～10.0μm的WC原料，通过添加（W, Ti, Ta, Nb）C多元固溶体引入弥散分布的Ti, Ta, Nb成分以及游离碳，诱导WC晶粒基面的择优生长，可满足高强韧性和高硬度耐磨性的综合要求。

本发明的盾构机刀具材料，其特征在于： Co占6～25wt%，（W, Ti, Ta, Nb）C占0.4～1.0wt%, 其余为WC组成； Co粉粒度为0.8～1.5μm； WC的粒度为6.0～10.0μm，碳含量为6.13～6.20 wt%;（W, Ti, Ta, Nb）C粒度为0.8～2.0μm，W、Ti、Ta、Nb、C元素重量百分含量分别为10～72%，16～50%，5～40%，5～20%, 9.0～14.0 wt%，其中游离碳含量为0.5～2.0 wt%。

本发明的盾构机刀具材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤:

（1）预球磨：先将Co与（W, Ti, Ta, Nb）C进行球磨6～36h；球磨介质为无水乙醇，其加量为100～300ml/kg，球磨速度为60～100r/min, 研磨球为Φ6～8mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为5：1～15：1。（2）混合料制备与成型：称取WC粉并加入到预球磨的Co与（W, Ti, Ta, Nb）C混合料中，使各成分重量百分比符合权利要求1的盾构机刀具材料特征。混合料继续进行球磨、并经过过滤、干燥后压制成生坯。混合料制备时，球磨介质为无水乙醇，其加量为100～500ml/kg，球磨速度为60～100r/min, 研磨时间为12h～60h, 研磨球为Φ6～8mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为3：1～5：1；石蜡成型剂的加入量为2～8wt%，加入时间为湿磨结束前2～6h；球磨后硬质合金料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5 Pa；在300～500MPa下压制成生坯。（3）真空烧结：真空烧结在真空炉中进行，首先在300℃～600℃下保温2～4h以脱除成型剂，真空度为10～15Pa；在1350～1450℃下保温时间为1～3h以完成真空烧结，真空度为1～5 Pa。（4）低压烧结：低压烧结在低压烧结炉中进行，烧结温度为1450℃～1550℃，保温时间2～5h, 氩气压力为5～10MPa。

本发明的优点在于：（1）多元碳化物（W, Ti, Ta, Nb）C在WC颗粒附近弥散分布，其中的Ti, Ta, Nb成分作为WC晶粒基面择优生长的诱导剂。（2）利用多元碳化物（W, Ti, Ta, Nb）C的添加引入原位分布的游离碳，也有利于WC晶粒基面的择优生长，同时这种方式可避免单独添加炭黑引入碳的方法带来的炭黑偏聚。（3）采用6.0～10.0μm的常规WC，避免了对10～15μm，甚至20～30μm以上的特殊粗颗粒WC原料的依赖。（4）无需采用WC粗细搭配的方式，工艺控制简单。

具体实施方式

实例1：按重量百分比称取原料制备盾构机刀具材料，其中粒度9.0μm的WC占90%，粒度为1.5μm的Co占9.5%，粒度为1.5μm的（W, Ti, Ta, Nb）C占0.5%。WC的碳含量为6.20wt%, （W, Ti, Ta, Nb）C中 W、Ti、Ta、Nb、C元素重量百分含量分别为55.5%，19%，9%，6%, 10.5 wt%，其中游离碳含量为1.0 wt%。首先将Co与（W, Ti, Ta, Nb）C进行球磨16h；球磨介质为无水乙醇，其加量为200ml/kg，球磨速度为70r/min, 研磨球为Φ8mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为15：1。结束后按上述质量分数称取WC粉和Co粉，并加入到预球磨的Co与（W, Ti, Ta, Nb）C混合料中继续进行球磨，球磨介质为无水乙醇，其加量为400ml/kg，球磨速度为6r/min, 研磨时间为24h, 研磨球为Φ8mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为3：1；石蜡成型剂的加入量为3wt%，加入时间为湿磨结束前5h；球磨后硬质合金料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为100℃，真空度为3Pa；在380MPa下压制成生坯。烧结在真空炉中进行，首先600℃进行，保温2.5h，真空度为15Pa下脱除成型剂；在1410℃，保温时间为2h, 真空度为2 Pa下完成真空烧结。低压烧结在低压烧结炉中进行，烧结温度为1500℃，保温时间2h, 氩气压力为7MPa。所制备的粗晶粒硬质合金的WC晶粒度为3～4μm，硬度87.0HRA，抗弯强度2400MPa。

实例2：按重量百分比称取原料制备盾构机刀具材料，其中粒度6.0μm的WC占79%，粒度为1.5μm的Co占20%，粒度为1.5μm的（W, Ti, Ta, Nb）C占1.0%。WC的碳含量为6.13wt%, （W, Ti, Ta, Nb）C中 W、Ti、Ta、Nb、C元素重量百分含量分别为21%，20%，39%，8%, 12.0 wt%，其中游离碳含量为1.5 wt%。先将Co与（W, Ti, Ta, Nb）C进行球磨36h；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml/kg，球磨速度为100r/min, 研磨球为Φ6mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为15：1。然后称取WC粉和Co粉，并加入到预球磨的Co与（W, Ti, Ta, Nb）C混合料中。混合料继续进行球磨，球磨介质为无水乙醇，其加量为500ml/kg，球磨速度为65r/min, 研磨时间为30h, 研磨球为Φ6mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为3：1；石蜡成型剂的加入量为7wt%，加入时间为湿磨结束前3h；球磨后硬质合金料浆经400目过滤，真空干燥处理温度为110℃，真空度为1Pa；在500MPa下压制成生坯。真空烧结在真空炉中进行，首先在400℃进行，保温4h，真空度为10Pa下脱除成型剂；在1380℃，保温时间为1h, 真空度为5 Pa下完成真空烧结。低压烧结在低压烧结炉中进行，烧结温度为1450℃，保温时间3h, 氩气压力为5MPa。所制备的粗晶粒硬质合金的WC晶粒度为3.6～4.2μm，硬度85.9HRA，抗弯强度3800MPa。

Claims

1.一种盾构机刀具材料，其特征在于： Co占6～25wt%，（W, Ti, Ta, Nb）C占0.4～1.0wt%, 其余为WC组成； Co粉粒度为0.8～1.5μm； WC的粒度为6.0～10.0μm，碳含量为6.13～6.20 wt%;（W, Ti, Ta, Nb）C粒度为0.8～2.0μm，W、Ti、Ta、Nb、C元素重量百分含量分别为10～72%，16～50%，5～40%，5～20%, 9.0～14.0 wt%，其中游离碳含量为0.5～2.0 wt%。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀具材料的制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：

（1）预球磨：先将Co与（W, Ti, Ta, Nb）C进行球磨6～36h；球磨介质为无水乙醇，其加量为100～300ml/kg，球磨速度为60～100r/min, 研磨球为Φ6～8mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为5：1～15：1；

（2）混合料制备与成型：称取WC粉并加入到预球磨的Co与（W, Ti, Ta, Nb）C混合料中，使各成分重量百分比符合权利要求1的盾构机刀具材料特征；混合料继续进行球磨、并经过过滤、干燥后压制成生坯；混合料制备时，球磨介质为无水乙醇，其加量为100～500 ml/kg，球磨速度为60～100r/min, 研磨时间为12h～60h, 研磨球为Φ6～8mm的WC-8wt%Co硬质合金球, 球料重量比为3：1～5：1；石蜡成型剂的加入量为2～8wt%，加入时间为湿磨结束前2～6h；球磨后硬质合金料浆经400目过滤，真空干燥处理的温度为85℃～120℃，真空度为1～5 Pa；在300～500MPa下压制成生坯；

（3）真空烧结：真空烧结在真空炉中进行，首先在300℃～600℃下保温2～4h以脱除成型剂，真空度为10～15Pa；在1350～1450℃下保温时间为1～3h以完成真空烧结，真空度为1～5 Pa；

（4）低压烧结：低压烧结在低压烧结炉中进行，烧结温度为1450℃～1550℃，保温时间2～5h, 氩气压力为5～10MPa。