CN103014489B - 用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金及其制备方法，属一种硬质合金及其加工方法，所述硬质合金材料中以质量百分比计，包含5.7％至32.36％的W、1.12％至12.63％的V与适量的C，余量为Fe。依据各元素成分的额定按量，将碳化钨颗粒、五氧化二钒、胶体石墨、金刚石颗粒与铁基体预合金粉均匀混合并烧结而成的铁基硬质合金，可以替代原有的金属钴粘接碳化钨制成的硬质合金制作为自进式锚杆的钻头，其刃部的硬度性能优异，具有掘进速度快且耐磨的优点，相对于前述钴粘接碳化钨制成的硬质合金来说，生产成本较低，同时本发明所提供的一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金制备工艺简单，亦可在各类自进式锚杆的钻头上使用，应用范围广阔。

Description

用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种硬质合金及其加工方法，更具体的说，本发明主要涉及一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料的制备方法。

背景技术

自进式锚杆用钻头通常用硬质合金刃部加铸铁杆身，而硬质合金通常用钴粘接碳化钨或者碳化钛而成，而我国是一个金属钴资源缺乏的国家，因此锚杆钻头的刃部比较昂贵，而锚杆钻头属一次性消耗品且用量巨大，使得锚杆钻头的生产及使用成本提高，且原有的锚杆钻头硬质合金经焊接后需要机械加工，而机械切削加工硬质合金非常困难，因此有必要开发其他材料代替硬质合金，用新型制备方法代替机械加工硬质合金，而铁基复合材料在现代工业中应用非常广泛，如在水泥、冶金、汽车发动机零件、模具等，目前铁基合金材料的制备主要采用粉末冶金法和铸造法来实现，其中粉末冶金法就是将颗粒增强相和铁基体粉进行混合再通过烧结而成，颗粒增强相通过外加分布在基体中，存在颗粒增强相与基体结合润湿性不好，结合不牢等缺陷，并且这类合金材料在磨损过程中容易从基体脱落，铸造法制备铁基复合材料主要是将颗粒相加入到液态铁水或钢水中，通过搅拌使颗粒相分布在基体中，然后浇注到铸型中而制得，铸造法制得的铁基复合材料存在流动性差，颗粒增强相体积分数不高、分布不均等不足。原有的表面复合材料存在与基体结合不牢，颗粒增强相容易脱落等缺点。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料及其制备方法，以期望解决现有技术中金属钴使用成本较高，同类硬质合金材料颗粒增强相与基体结合性不足，以及流动性差，颗粒增强相体积分数低等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料，所述硬质合金材料中以质量百分比计，包含5.7％至32.36％的W、1.12％至12.63％的V与适量的C，余量为Fe。

作为优选，进一步的技术方案是：所述硬质合金材料中以质量百分比计，C的含量为1.11％至12.264％。

更进一步的技术方案是：所述硬质合金材料中C含量总质量的3％至20％以金刚石颗粒的形式存在。

更进一步的技术方案是：所述硬质合金材料中W与V的原子数之比为1:2至2:1。

更进一步的技术方案是：所述的硬质合金材料中以质量百分比计，还包括0.1％至3％的Cu与0.1％至3.5％的Mo。

本发明另一方面提供了一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料的制备方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤A、根据权利要求1至5所述铁基硬质合金材料中各元素的质量百分比，计算并称取作为原料的碳化钨颗粒、五氧化二钒、胶体石墨、金刚石颗粒和铁基体预合金粉待用；

步骤B、将上一步骤中称取的原料混合后加入占原料总质量2％至3％的粘接剂，进行搅拌并造粒；

步骤C、在粒状原料中加入硬脂酸锌后，放入指定模具中压制成型，经烧结后得到铁基硬质合金材料坯块。

作为优选，进一步的技术方案是：所述步骤A中加入的碳化钨颗粒与五氧化二钒的粒径均小于50微米，铁基体预合金粉中至少包括金属铁、铜与钼。

更进一步的技术方案是：所述步骤B中的粘接剂为汽油橡胶粘接剂，且步骤C中加入的硬脂酸锌占粒状原料总质量的0.3％至8％。

更进一步的技术方案是：所述步骤C中放入指定模具中压制成型的粒状原料烧结为在恒定时间内升温到500摄氏度并进行第一次保温，然后再在恒定时间内升温到1150摄氏度并进行第二次保温。

更进一步的技术方案是：所述步骤C中烧结的恒定时间均为7至13分钟，且第一次保温时间为4至8分钟，第二次保温时间为15至25分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：依据各元素成分的额定含量，将碳化钨颗粒、五氧化二钒、胶体石墨、金刚石颗粒与铁基体预合金粉均匀混合并烧结而成的铁基硬质合金，可以替代原有的金属钴粘接碳化钨制成的硬质合金制作为自进式锚杆的钻头，其刃部的硬度性能优异，具有掘进速度快且耐磨的优点，相对于前述钴粘接碳化钨制成的硬质合金来说，生产成本较低，同时本发明所提供的一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金制备工艺简单，亦可在各类自进式锚杆的钻头上使用，应用范围广阔。

具体实施方式

下面结合发明人在进行具体实验时的部分数据对本发明作进一步阐述。

实施例1

在本实施例中，所述自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料中以质量百分比计，应当包含32.36％的W(钨)、11.6％的V(钒)与适量的C(碳)，余量为Fe(铁)。前述的碳含量可参照V(钒)的含量进行比照设置。

上述碳元素的作用为使所述V(钒)完全生成碳化物，即VC(vanadiumcarbide碳化钒)，同时固溶于铁基体中的C的含量不超过其总质量的0.6％，上述硬质合金材料中W与V的原子数之比为1:2。该合金材料的制备方法大致为：

步骤A、根据上述铁基硬质合金材料中各元素的质量百分比，计算并称取作为原料的碳化钨颗粒、五氧化二钒、胶体石墨和铁基体预合金粉待用，而前述原料均可购买市面上现成的原材料；

步骤B、将上一步骤中称取的原料混合后在其中加入占原料总质量2％的粘接剂，进行搅拌并造粒，在本步骤中，造粒的方式优选采用现有技术中的造粒机械辅助进行，由于此类机械已应用得较为成熟，此处不再多做介绍，上述原材料中V(钒)元素的存在可以改善WC(碳化钨)的外形，使WC趋于球形；

步骤C、在粒状原料中加入适量的硬脂酸锌后，放入指定模具中压制成型，经烧结后得到铁基硬质合金材料坯块。而前述加入的硬脂酸锌占粒状原料总质量的4％。所述模具可根据所需坯块成品的形状进行选择。

实施例2

在本实施例中，为进一步提高铁基硬质合金材料的硬度，可使合金材料中的一部分碳元素以金刚石颗粒的形式存在，而金刚石颗粒优选为200目，即铁基硬质合金材料中以质量百分比计，包含19.5％的W(钨)、5.63％的V(钒)与5.11％的C(碳)，余量为Fe(铁)。前述硬质合金材料中W与V的原子数之比为2:1，二者形成固溶体协同增强作用明显，可以获得较好的基体强化效果。当W与V的原子数比为1:1时，固溶体(W,V)C中的W,V原子可以实现最大的1:1置换固溶，能产生更强的固溶强化作用，从而获得最佳的铁基体强化效果。

本实施例中所述铁基硬质合金材料的制备方法为：

步骤A、根据上述铁基硬质合金材料中各元素的质量百分比，计算并称取作为原料的碳化钨颗粒、五氧化二钒、胶体石墨、金刚石颗粒和铁基体预合金粉待用；其中胶体石墨的加入量除去烧损和溶入铁基体中的碳元素，应控制在碳与五氧化二钒的摩尔比为2:1的范围内；

步骤B、将上一步骤中称取的原料加入容器中均匀混合后，加入占原料总质量3％的汽油橡胶粘接剂，进行搅拌并造粒，其中造粒操作可参照上述实施例进行；

步骤C、在粒状原料中加入适量的硬脂酸锌后，放入指定模具中压制成型，经烧结后得到铁基硬质合金材料坯块。而前述加入的硬脂酸锌占粒状原料总质量的0.3％。

实施例3

基于上述实施例，发明人在铁基硬质合金材料中首次添加辅助元素的配比为：以质量百分比计，包含7.4％的W(钨)、2.24％的V(钒)、1.65％的C(碳)、0.2％的Cu(铜)、0.2％的Mo(钼)，余量为Fe(铁)；制备方式及所采用的原料与上述实施例基本相同。

实施例4

发明人发现，上述实施例中虽增强了铁基硬质合金的硬度，但部分力学性能仍存在瑕疵，参照上一实施例中所加入的辅助元素，再次在铁基硬质合金材料中加入了金属Cu(铜)与Mo(钼)成分，而这些金属成分可与上述铁基一起，以铁基体预合金粉的形式加入。且发明人在进行本次实验的过程中，认为硬度较为优异的一种铁基硬质合金成分质量百分比为22.80％的钨(W)，12.63％的钒(V)，10％的碳(C)，50％的铁(Fe)，2.05％的铜(Cu)，2.52％的钼(Mo)。

上述成分的组成中，W的加入形式为碳化钨颗粒，V的加入形式为五氧化二钒粉，C以胶体石墨和金刚石颗粒的形式加入，其他元素以预合金粉的形式加入，上述硬质合金材料中W与V的原子数之比为1.5:1.2。且上述铜(Cu)与钼(Mo)元素的原料中的C含量一般不超过其总质量的0.6％

同时上述的碳化钨颗粒与五氧化二钒的粒径均小于50微米，上述原料混合后压制前加入的硬脂酸锌占粒状原料总质量的3％。

实施例5

上述铁基硬质合金材料较为优选的制备方法为：

步骤A、以重量百分比计，加入24.29％的碳化钨颗粒、22.55％的五氧化二钒、3.52％的胶体石墨、5％的金刚石颗粒和余量的铁基体预合金粉待用；

步骤B、将上一步骤中称取的原料混合后加入占原料总质量3％的汽油橡胶粘接剂，进行搅拌并造粒；

步骤C、在粒状原料中加入硬脂酸锌后，放入指定模具中压制成型，经烧结后得到铁基硬质合金材料坯块。烧结的具体方法为在恒定时间内升温到500摄氏度并进行第一次保温，然后再在恒定时间内升温到1150摄氏度并进行第二次保温。其目的为烧去汽油橡胶，除去多余的气体，将坯块烧结成型。

发明人在进行上述实验时多次选择的恒定时间是7至13分钟之间，第一次保温时间为4至8分钟之间，第二次保温时间为15至25分钟之间，而经过发明人反复推导，认为最为优选的参数值为前述恒定时间为10分钟，第一次保温时间为5分钟，第二次保温时间为20分钟，待第二次保温时间结束后，铁基硬质合金材料坯块即制作完成，可在锚杆钻头上应用。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (5)

1.一种用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料的制备方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：

步骤A、按照以质量百分比计，5.7％至32.36％的W、1.12％至12.63％的V与1.11％至12.264％的C，余量为Fe，计算并称取作为原料的碳化钨颗粒、五氧化二钒、胶体石墨、金刚石颗粒和铁基体预合金粉待用；

步骤B、将上一步骤中称取的原料混合后加入占原料总质量2％至3％的粘接剂，进行搅拌并造粒；

步骤C、在粒状原料中加入适量硬脂酸锌后，放入指定模具中压制成型，经烧结后得到铁基硬质合金材料坯块。

2.根据权利要求1所述的用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料，其特征在于：所述步骤A中加入的碳化钨颗粒与五氧化二钒的粒径均小于50微米，铁基体预合金粉中至少包括金属铁、铜与钼，且所述铜与钼以质量百分比计，分别占硬质合金材料总量的0.1％至3％与0.1％至3.5％。

3.根据权利要求1所述的用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料，其特征在于：所述步骤B中的粘接剂为汽油橡胶粘接剂，且步骤C中加入的硬脂酸锌占粒状原料总质量的0.3％至8％。

4.根据权利要求1所述的用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料，其特征在于：所述步骤C中放入指定模具中压制成型的粒状原料烧结为在恒定时间内升温到500摄氏度并进行第一次保温，然后再在恒定时间内升温到1150摄氏度并进行第二次保温。

5.根据权利要求4所述的用于自进式锚杆钻头的铁基硬质合金材料，其特征在于：所述步骤C中烧结的恒定时间均为7至13分钟，且第一次保温时间为4至8分钟，第二次保温时间为15至25分钟。