CN103302269B - 一种双金属复合产品及其硬质合金熔铸工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，包括以下步骤：将硬质合金料放置在模具中；向模具中浇注1350—1480℃的基体材料合金熔液；冷却，制得双金属复合产品。应用上述工艺生产的破碎机锤头或捣固镐双金属复合产品，其硬质合金与基体材料的熔解结合层厚度为0.6～0.8mm，产品整体硬度为HRC62-66，硬质合金部分硬度为HRC76-81。本发明在满足双金属复合工艺要求的前提下，实现硬质合金材料与基体材料的冶金结合，并在硬质合金熔铸过程中有效控制化合物类型和基体组织的类型，进一步加强了双金属复合产品的耐磨度、适应范围和使用寿命，从而更适于推广应用。

Description

一种双金属复合产品及其硬质合金熔铸工艺

技术领域

本发明涉及冶金领域，特别是涉及一种双金属复合产品及其硬质合金熔铸工艺。

背景技术

硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，其显微硬度大于1800kg·mm²，特别是它的高硬度和耐磨特性即使在500℃的温度下也基本保持不变，甚至在1000℃时仍具有很高的硬度，因此被誉为“工业牙齿”，常用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件。但是，也由于硬质合金的硬度高，而不宜进行机械加工，所以一般采用机械结合或焊接的方式应用于机械部件中。

采用机械结合的缺陷是，硬质合金与基体材料之间的结合不可靠，在工作中经常出现脱落、断裂的现象，从而损坏设备，影响零件的使用寿命，造成材料浪费，也提高了设备的维护成本。而焊接结合方式虽能形成表层部分熔合，相对机械结合来说更加牢固、可靠，但是就部分工件例如破碎机锤头来说，其结合力相对于工作受力来说仍显不足。

近年来，经郑州鼎盛工程技术有限公司与西安交大联合研制，采用在大型锰钢锤头中镶嵌硬质合金圆柱体陶瓷预制芯板的方法，来提高锰钢锤头的耐磨性能。然而，对于硬质合金在镶嵌制造过程中，高温氧化对碳化物类型和基体材料组织结构的影响有待研究；并且，此技术只适用于单一材料铸造的大型锤头(单重50公斤以上)，且只能以预制块的形式生产，工艺及生产成本较高，缺乏竞争力。

由此可见，现有技术中多采用在单一材料中镶嵌硬质合金的制造工艺，并未涉及通过液液复合或直接浇注形成硬质合金与基体材料的双金属复合产品的工艺，为了改善现有双金属复合工艺在在方法与产品上的不足，创设一种可将硬质合金材料与其他金属材料有效熔合的新的双金属复合产品及其硬质合金熔铸工艺，在硬质合金熔合过程中控制影响基体材料组织结构性能的化合物的出现，进一步加强双金属复合产品的耐磨度和适应范围，实属当前本领域的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双金属复合产品及其硬质合金熔铸工艺，使其可将硬质合金材料与其他金属材料有效熔合，在硬质合金熔合过程中控制高温氧化对碳化物类型和基体材料组织结构性能的影响，进一步加强双金属复合产品的耐磨度和适应范围，并降低产品及其生产成本，从而克服现有产品和工艺的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，包括以下步骤：将硬质合金料放置在模具中；向模具中浇注基体材料合金熔液，浇注温度为1350—1480℃；冷却，制得双金属复合产品。

作为本发明的一种改进，所述的硬质合金料为不小于3mm×3mm×5mm的柱状体。

所述的硬质合金料为物料截面直径不小于3mm的立体三角边框结构或螺旋结构。

所述的浇注温度为1400—1480℃。

所述的浇注温度为1480℃。

所述的放入模具中的硬质合金料的总体积与基体材料的体积比为15～45％。

所述的硬质合金料均匀放置在模具中与双金属复合产品的工作部分表层对应处。

所述的基体材料为锰钢或白口合金铸铁。

此外，本发明还提供了一种应用上述工艺生产的破碎机锤头或铁路捣固镐双金属复合产品，硬质合金与基体材料的熔解结合层厚度为0.6～0.8mm，产品整体硬度为HRC62-66，硬质合金部分硬度为HRC76-81。

采用这样的设计后，本发明在满足双金属复合工艺要求的前提下，实现硬质合金材料与基体材料的冶金结合，并在硬质合金熔铸过程中有效控制控制高温氧化对碳化物类型和基体材料组织结构性能的影响进一步加强了双金属复合产品的耐磨度、适应范围和使用寿命，从而更适于推广应用。

具体实施方式

本发明双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺具体包括以下步骤：

首先，将硬质合金(具体成分参见国标)废料制成柱状体颗粒或者立体三角边框、螺旋等结构。进一步来说，柱状体颗粒以不小于3mm×3mm×5mm为宜，适于应用在生产小体积双金属复合产品中；立体三角边框结构和螺旋结构的物料截面直径也不应小于3mm，适于应用在生产体积较大的双金属复合产品中。

其次，将硬质合金料直接放置在模具中，进一步来说，最好将硬质合金料均匀放置在模具中与双金属复合产品的工作部分表层对应处，且放入模具中的硬质合金料的总体积与基体材料的体积比为15～45％为宜。

最后，采取双金属液液熔合浇注工艺进行生产。具体来说，本发明是将1350—1480℃的普通钢材或高铬铸铁等基体材料合金熔液导入模具，并冷却得到本发明双金属复合产品。其中，浇注温度控制在1400—1480℃之间获得产品性能较佳，1480℃浇注获得的产品性能最佳。冷却条件可采用与现有双金属复合产品热处理相同的工艺。

在生产体积较大的双金属复合产品时，本发明采用采用三角边框结构或螺旋结构的硬质合金无聊，既方便生产操作，又可抵抗浇注时金属液体的冲击力，还可使其零件产品的工作部位达到较好的耐磨要求。而在生产小体积双金属复合产品时，由于模具容积相对也较小，因此冲击力对于硬质合金料的影响不大，采用柱状体颗粒即可达到要求，且更利于硬质合金料在产品工作表面的均匀分布。

据显微镜观测，硬质合金材料的熔解结合层厚度为0.6～0.8mm，因此硬质合金材料的直径应控制在3mm以上，可使得熔铸后的硬质合金在除去熔解结合部分后，仍可保证硬质合金材料的工作体积，达到理想的耐磨效果。

此外，在浇注过程中，由于合金元素向外扩散反应，在高温下氧化形成硬度较低的Fe₃W₃C、WO₃，组织致密度下降，耐磨性能降低。因此，浇注温度控制在1500℃以下，可以尽量减少Fe₃W₃C、WO₃氧化物的形成，最大限度形成WC、W₂C、M₇C₃化合物。本发明通过浇注温度的合理控制，在硬质合金熔铸过程中有效控制化合物类型、提高化合物和基体组织的性能，进一步加强了双金属复合产品的耐磨度、适应范围和使用寿命，从而更适于推广应用。

实施例一

利用本发明工艺生产分体式破碎机锤头，成分：YG8硬质合金(硬度HRA89.5，抗弯强度：N/cm2 1600)；基体：组分为碳、铬、镍、钼、钨等的高铬铸铁材料；硬质合金采用10*10*200mm的立体三角形边框结构；放置在模具中工作部分顶端位置；浇注温度1480度；淬火温度1050度空冷。锤头形状为长方体120*88*176mm，耐磨复合层120*88*50mm，总重9.5公斤。锤头耐磨部分硬度HRC61，硬质合金部分硬度HRA89约相当于HRC76，大大提高了高铬铸铁的硬度，使锤头的工作寿命提高三倍以上；但是，磨损面显示，硬质合金部分有小颗粒碎裂，说明基体对硬质合金的支撑保护作用减弱，硬质合金柱体不宜太粗，YG8不适用物料坚硬，冲击力度大的工作环境。

实施例二

利用本发明工艺生产连体式破碎机锤头，成分：YT15硬质合金(硬度HRA91，抗弯强度：N/cm2 1150)；基体：组分为碳、铬、镍、钼、钒等的高铬铸铁材料；硬质合金采用物料截面直径7mm，螺旋半径10mm、螺旋长度600mm的螺旋结构；放置在模具中工作部分顶端位置；浇注温度1400度；淬火温度1050度空冷。锤头形状为长方体65*30*590mm，耐磨复合层65*45*50mm，总重8.5公斤。锤头硬质合金部分硬度HRA91，破碎4000-5000大卡的煤，无强冲击力，磨损面呈凹凸状，硬质合金周围基体部分磨损严重。

实施例三

利用本发明工艺生产铁路捣固设备的捣固镐，成分：YG20硬质合金(硬度HRA85，抗弯强度：N/cm2 2500)；基体：组分为碳、铬、镍、钼、钨等的高铬铸铁材料；硬质合金采用3mm×3mm×5mm的柱状体颗粒；放置在模具中工作部分顶端位置；浇注温度1350度；淬火温度1050度空冷。捣固镐上部形状为圆柱体，耐磨复合层50*35*130mm，总重13.5公斤。工作过程强冲击，工作对象为花岗岩石子，捣镐的耐磨镐掌部分的硬质合金没有出现颗粒碎裂情况，说明可以根据工况需要选择不同硬度和韧性的硬质合金材料。

金相显示：按照上述实施例生产的双金属复合产品，其基体组织呈隐针型马氏体、少量残留奥氏体，碳化物硬质相均匀分布，硬质合金组织及其周围的熔解结合层基体上可见大量的WC、W₂C和Fe₃WO₃碳合物，硬质钨、钴、铁、铬碳化物与高温熔液完全润湿，实现了硬质合金材料与基体材料之间的冶金结合。

经硬度测试，上述实施例生产的双金属复合产品的铸件硬度为HRC62-66，硬质合金部分的硬度保持了其原来硬度，具有较强的抵抗磨料切削磨损性能，可比传统高铬铸铁复合产品的使用寿命提高2-3倍。

按照本发明工艺生产的双金属复合产品，以硬质合金超强的硬度，对基体起到明显的加强作用，类似硬质相在基体中的作用；基体材料的高铬铸铁以其强硬的马氏体组织将硬质合金材料紧密牢固地熔合在一起，并对硬质合金材料起到支撑保护作用；二者相辅相成，提高了性能，也延长了产品的使用寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，其特征在于包括以下步骤：

将硬质合金料放置在模具中；

向模具中浇注基体材料合金熔液，浇注温度为1350—1480℃；

冷却，制得双金属复合产品；

所述的硬质合金料为3mm×3mm×5mm的柱状体，或者为物料截面直径3-7mm的立体三角边框结构或螺旋结构。

2.根据权利要求1所述的双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，其特征在于所述的浇注温度为1400—1480℃。

3.根据权利要求1所述的双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，其特征在于所述的浇注温度为1480℃。

4.根据权利要求1所述的双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，其特征在于所述的放入模具中的硬质合金料的总体积与基体材料的体积比为15～45％。

5.根据权利要求1所述的双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，其特征在于所述的硬质合金料均匀放置在模具中与双金属复合产品的工作部分表层对应处。

6.根据权利要求1所述的双金属复合产品中的硬质合金熔铸工艺，其特征在于所述的基体材料为锰钢或白口合金铸铁。

7.应用权利要求1-6中任一项所述工艺生产的双金属复合产品，其特征在于所述的硬质合金与基体材料的熔解结合层厚度为0.6～0.8mm，产品整体硬度为HRC62-66，硬质合金部分硬度为HRC76-81。

8.根据权利要求7所述的双金属复合产品，其特征在于所述的双金属复合产品为破碎机锤头或铁路捣固镐。