CN103882361A

CN103882361A - 一种(wc/高速钢)钢结硬质合金及层合材料制备方法

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Publication number: CN103882361A
Application number: CN201210552350.XA
Authority: CN
Inventors: 吴庆华; 吴庆文; 金昕; 吴成义; 关丽红; 郭志猛; 张丽英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-25

Abstract

本发明属于钢结硬质合金的喷射沉积及层合材料制备技术领域，提供了一种用WC或TiC、VC等高速固相粒子对高速钢液流进行喷射沉积制备(WC/高速钢)钢结硬质合金的新方法，开创了一种新型的超硬刀具钢、热作模具钢的新钢种。提供了一种制备WC超硬高速钢与普碳钢或不锈钢的双层或多层复合装甲、特种复合耐磨部件的制备新技术。提供了一种高能快速的对钢液急冷的技术手段，使本发明制备的(WC/高速钢)钢结硬质合金，无论在各种工艺状态下，其各项力学性能全面胜过原高速钢。本发明对研究、开拓新材料和揭示材料学中的新现象，提供了新的特殊研究手段。将会使我国的喷射沉积技术提高到世界领先的水平，具有广泛的推广意义和使用价值。

Description

一种(WC/高速钢)钢结硬质合金及层合材料制备方法

技术领域

本发明属于(WC/高速钢)超硬合金的制备技术领域，特别是提供了一种用WC粒子与N₂或Ar高速多相气流对高速钢合金液流进行雾化沉积的特种冶金技术。提供了一种崭新的以极佳的冷速(10^4.5-10⁶℃/s)，极佳的高温瞬间多相混合手段，高能快速液滴颗粒冲击成形，和对合金快速急冷等，综合优异的特种冶金条件，使本发明的技术不仅可以制备WC颗粒增强的(WC/高速钢)钢结硬质合金复合材料，或直接制备出具有特殊外貌形态，尺寸要求的(WC/高速钢)钢结硬质合金部件。同时，可制备(WC/高速钢)与不锈钢板或普碳钢板的双层和多层复合(装甲)材料或部件。

背景技术

钢结硬质合金是介于普通硬质合金和钢之间的一种合金。它是由碳化物(WC，TiC)硬质相粉末与各种性能的合金钢粉末采用粉末冶金工艺(混粉-压制-烧结)制成，国外自1960年在德国，荷兰，美国等开始研制。我国于1962年开始研制，目前已能大批量生产。主要品种有(TLMW50；GT35)两种牌号：前者为50％(质量)的WC粉+50％(质量)的(Cr_1.5Mo_1.5CFe)钢粉制成。后者为35％(质量)TiC粉+65％(质量)的(Cr₃Mo₃C_0.8Fe)钢粉制成。

近50年来，世界各国在钢结硬质合金生产过程中发现合金的最佳烧结温度与合金的液相线十分接近。在烧结过程中，温度控制十分困难，特别是大型(重量＞3kg)的产品，温度稍有偏高就会造成产品表面局部熔化流失。温度稍微偏低又会造成“未烧好”或夹生废品。国内外生产者对这一难题几乎束手无策，最终废品率居高不下。但是钢结硬质合金因其具有良好的可锻性，热处理性和可机加工性又具有很高的硬度，故长期以来仍是国内外材料工作者研究的热点，特别是(WC/高速钢)这种钢结硬质合金，除制备新型机加工刀具外又是热作模具的最好材料。

1994年以来中国北京科技大学吴成义教授和张丽英教授最先采用真空喷射沉积技术，研究了WC颗粒增强的(WC/高速钢)钢结硬质合金的制备技术及材料的特性，发现用喷射沉积技术生产的WC15-35％(质量)的(WC/高速钢)钢结硬质合金，具有优异的可锻性、热处理性、易加工性等。新材料的各种性能均高于原高速钢相应加工状态下的性能。开辟了一种新型钢结硬质合金的制备技术，为我国增添了一种新型的钢结硬质合金钢种。当时向钢液内加入WC粒子的设备还很落后(外环法)。WC粒子不能以高速状态射入钢液，因此会造成WC粒子在钢内分布的不均匀性，这是外环法致命的弱点。本发明正是为了解决这一难题，从制造方法上，开创了一种新型的，用WC(或VC、TiC)的高速固相颗粒喷射钢液，在极高的温度下极高的冲击动能下，极短的时间内，将WC硬质相粉末颗粒强制地均匀的混合到钢的液滴内，并以极大的冲击动能喷射沉积(即原位烧结)成致密态合金即钢结硬质合金。

发明内容

本发明主要是用高速WC固相粒子作为雾化的动能介质和冷却剂，对高速钢液流进行雾化、沉积，其核心内容为：①高速固相WC粒子的发生、输送、控制技术。②将高速固相粒子流汇集成具有一定空间夹角的高能WC粒子流雾化锥体。③用高能WC粒子流将高速钢液雾化的同时完成固相WC粒子与钢液快速混合和快速沉积成形工作。④用WC粒子与高速钢的混合液滴喷射沉积到预热的钢板上，制备双层或多层复合材料。

本发明的第一内容

高速固相WC粒子的发生、输送及控制设备是由附图1中：电动机1；气体换向室2；内有螺旋推料器，并由电动机控制送料的料管3；；用来将WC粒子加速的锥形管4；喷嘴6；WC粉料仓8；高压气引入管9；不锈钢气管10；以上部件组成高速固相粒子的发生、输送、控制系统。在通气(N₂或Ar)的极短时间内将固态颗粒WC加速即可获得高速WC固相粒子流。上述设备在不通入高压N₂、Ar气时，要求在真空状态下保持不漏气。

本发明的第二内容

附图1中6是环形喷嘴，这是一种具有特定角度的喷嘴，能将高速固相粒子流通过导管引入到喷嘴的均压室中。均压后，再通过特定喷嘴角度(α＝25-40°)的锥形环状缝(或环孔)向下喷射出，即可将高速WC粒子流汇集成一种在空间上有某种特定角度(α)的(高能粒子流)雾化锥体，这一锥体的内腔为射流负压区(负压场)，并有固定的汇聚焦点F(mm)。实验证明，高速粒子通过喷嘴汇聚后，能够完全达到汇聚成高速粒子流雾化锥体目的。

本发明的第三内容

在负压作用下高速钢液流很顺利地进入雾化椎体的中心，高速钢液流在负压射流的作用下，迅速穿过雾化锥体的焦点强行被粉碎并同时与固相WC粒子进行机械的强制性混合。在这种极端高温的极短时的条件下，高速钢液与WC固相粒子之间将会发生固液相混合，然后再分散、加速、喷射沉积到经预热的车载基体钢板11上(见附图1)，形成附图1中的5(WC/高速钢)沉积物(钢锭)(小车不动)。

当液流控制手柄(见附图1中)13打开时，高速钢液流从感应熔炼炉7的底部小孔流出时，必须经绝热的陶瓷管(金属液流导管)流出并连续不断的送入到雾化椎体的射流负压区内，才能连续不断地使高速钢液流与WC高速粒子流完成一系列的雾化粉碎，多相混合和加速沉积过程。但是因射流负压区的体积很小，而高速钢液流导管的直径较大，其出口高度h(mm)与焦点F之间的距离(H)微小变化都将会明显的影响高速钢液流导管内的负压值，而这一负压值对整个喷射沉积过程的成败有着极为关键的作用。故在安装高速钢液流导管时应进行负压值与H高度测定工作，以便完成导流管的安装和精确定位工作。

在完成以上的工作后，一种用WC高速固相颗粒喷射沉积制备(WC/高速钢)的钢结硬质合金钢锭的工作就可以顺利进行。

本发明的第四内容

在上述(WC/高速钢)喷射沉积过程中将接收基板改为不锈钢板或普碳钢板时，在一定的预热温度下，可将(WC/高速钢)高温雾化状液滴不断地均匀地喷射到不锈钢板上。在热量充分足够的条件下，喷射的(WC/高速钢)层很容易与碳钢板或不锈钢板牢固地焊接成为一个整体，利用这一原理，本发明的技术可以很容易地用来制备(WC/高速钢)与不锈钢板或碳钢板形成的双层或多层复合(装甲)材料或部件。附图1中的11为可移动的(计算机程序控制)车载接收基板(可加热)。在喷射沉积双层复合材料时，计算机程序控制的车载基体钢板进行前后左右移动。最终可使大面积范围内的沉积层厚度均匀。

应强调指出的是，整个熔炼、喷射沉积和颗粒输送过程，均在真空封闭室(附图1的12)中进行并完成的。

本发明的优点

1、打破以往50年来喷射沉积技术局限于气体雾化作为喷射沉积基础的僵局，开辟了一种新型的用高速WC固相颗粒喷射沉积制备(WC/高速钢)新型钢结硬质合金的技术新领域。

2、本发明提供的技术可以将高速钢液滴的冷却速度更进一步提高到10^4.5-10⁶℃/s。故基体合金晶粒很细，使沉积合金更容易锻造热处理和机加工，机械性能明显提高。

3、可直接生产各种多相亚稳相的复合材料。如：VC、TiC、WC或WC-TiC(固溶相)/各种钢液等钢结硬质合金。

4、本发明提供的制备(WC/高速钢)钢结硬质合金的技术与粉末冶金的工艺(混粉-压制-烧结)完全不同。生产工艺线短，效率高，废品率低，成本低。合金性能优越。

5、可生产各种密度梯度、成分梯度、磁性梯队、硬度梯度，各种化性、物性梯度材料。

6、可生产浮雕、半浮雕等艺术产品。

7、可生产双层或多层(超硬钢/普通钢)层合(装甲)材料或异形装甲部件，包括异形超硬、超耐磨坦克刺轮，履带、防弹板等特种部件

8、本发明的技术与设备经多年考验，结构简单，性能稳定。容易推广使用，适合于中型企业投资生产。

实施例1

制备一件20kg，WC20％(质量)/M₂高速钢80％(质量)高速固相粒子喷射沉积钢结硬质合金。钢液喷射沉积速度为1.6kg/分，最大熔炼量为16kg的M₂高速钢合金液，喷射总时间10分，熔点为1480℃，固相粒子为WC粉4kg，平均粒径为1.5μm。采用1MPa压力，高纯N₂气为粒子加速气体，其制备方法和步骤如下：

1.1原料选配

M₂高速钢锭(碎料)16kg，纯WC粉4kg(纯度＞99.9％质量)，高纯N₂气4瓶。

1.2调制高速固相粒子流量

根据沉积速度(1.6kg/min)及合金成分WC20％(质量)+钢(余量)可知高速固相粒子WC粉的供给速度为400g/min。采用低速的且无极变速的电动机。见附图1中1，通过参数调整可达到要求。

1.3喷嘴选择

选用一般低速环孔型雾化喷嘴。内径为d1＝12mm，环孔中心圆Ф＝20mm，喷气孔直径d₂＝1.8mm，孔数16个，喷射角α＝25°，金属液流导管材质为Al₂O₃陶瓷管内径Ф₂＝5mm，外径Ф₃＝8mm，用负压测定技术确定其长度及出口高度h。

1.4熔炼系统设计

1.4.1熔炼方式确定

由于M₂高速钢有铁磁性，可直接感应加热，故可采用镁砂坩埚感应加热熔化。见附图1中的7。在有条件的情况下，采用真空感应炉熔化效果更好。

1.4.2坩埚设计

考虑到M₂高速钢在过热温度1550℃时的密度为7.79g/cm³和最大熔炼量16kg，故坩埚的内腔容积为：

当镁砂坩埚内径Ф＝100mm时，截面积S＝78.54cm²坩埚的高度

实际设计的镁砂坩埚为内径Ф＝100mm，高度H＝30cm，壁厚20mm。

1.4.3坩埚保温和绝缘处理

为了金属液流保温和坩埚与感应圈绝缘，在镁砂坩埚外层涂上一层镁砂补炉料(一种自凝耐火材料)保温层厚度12mm，烘干后即可使用。

1.5感应熔化及喷射沉积

上述所有部件安装在一个可移动的台车上以便很容易地与中频感应电源连接。

以上步骤完成后开动高频感应电源加热熔化(过热60℃，钢液最高温度达1550℃)，同时开动颗粒输送器和1MPa高纯氮气进行喷射沉积工作。沉积基体接收钢板温度为750℃，沉积后的钢锭可进行轧制、锻造或机械加工，最后可获得产品。

实施例2

制备一件450X450mm²双层复合装甲板，表层超硬复合层合金的成份为WC30％(质量)；M₂高速钢70％(质量)；厚度5mm；密度为9.63g/cm³，基体为45普碳钢板(450X450X10)mm^3.，见附图1中11。其制备方法和步骤如下：

2.1原料选配

超硬层体积V₁＝(45X45X0.5)cm³＝1012cm³

超硬层重量W₀＝1012cm³X9.63g/cm³＝9764.3g

WC粉重量W₁＝9746.3X30％＝2923.9g；

M₂高速钢重量W₂＝9746.3X70％＝6822.4g

WC粉平均粒径为1.5μm；纯度99.9％

2.1.2钢液喷射速度及工艺参数

钢液熔炼量为6.83kg，实际熔炼7kg。钢液喷射沉积速度控制在0.7kg/分，喷射时间10分，熔点为1480℃，过热70℃，实际钢液为1550℃。采用0.8MPa压力，WC粒子加速气体为高纯N₂气，

2.2调制高速固相(WC)粒子流量

根据沉积速度(0.7kg/min)及合金成分WC30％(质量)+钢(余量)可知高速固相粒子WC粉的供给速度为300g/min。采用低速的且无极变速的电动机。见附图1中1，通过参数调整可达到要求。

选用一般低速环孔型雾化喷嘴。同实施例1中1.3

2.4熔炼系统设计

2.4.1熔炼方式确定

同实施例1中1.4.1

2.4.2坩埚设计

考虑到M₂高速钢在过热温度1550℃时的密度为7.79g/cm³和最大熔炼量7kg，故坩埚的内腔容积为：

当镁砂坩埚内径Ф＝80mm时，截面积S＝50.3cm²坩埚的高度

实际设计的镁砂坩埚为内径Ф＝80mm，高度H＝23cm，壁厚20mm。

2.4.3坩埚保温和绝缘处理

同实施例1中1.4.3

2.5感应熔化及喷射沉积

同实施例1中1.5基本相同，所不同之处为开动颗粒输送器和0.8MPa高纯氮气进行喷射沉积工作。基体45钢接收钢板表面先除锈处理，并在保护气氛(惰性气体)或真空状态1X10^-2Pa中预热到750℃。整个喷射沉积过程，实际上也是两层合金高温焊接过程。因此，为保证产品质量的稳定性，这种双层复合材料或部件的制备过程，必须在惰性气氛条件下或先预真空后，N₂、Ar气氛下进行。

2.6金刚石磨片修磨

喷射沉积后的双层复合板，若有变形，可加热到730℃经油压机整形、压平，若在超硬表面有凹凸不平，可用金刚石磨轮磨平。

[0068] 2.7最终检验出厂。

Claims

1.一种WC高速固相颗粒喷射沉积制备(WC/高速钢)钢结硬质合金及层合材料的技术，其特征在于：采用WC高速固相粒子作为高速钢液流雾化的动能介质和冷却剂，对金属液流进行分散、混合、喷射沉积，一方面可制备WC颗粒强化的(WC/高速钢)钢结硬质合金材料、新型超硬刀具材料、热作模具材料和部件。又可在碳钢和不锈钢基体钢板上喷射沉积一层(WC/高速钢)超硬层，从而可制成双层或多层复合(装甲)材料和部件。

2.按照权利要求1所述，其特征在于所述的固相粒子，为WC(或VC、TiC、TaC、HrC、NbC)粉末或其它硬质相粉末颗粒。平均粒度为0.05～30μm。

3.按照权利要求1所述，高速固相粒子的发生设备与技术是由附图1中所示的基本部件组成：其原理、基本结构理应加以保护。

4.按照权利要求1所述，高速固相粒子流必须经环缝或环孔式聚焦喷嘴将高速固相粒子流汇聚在一个焦点上，高速粒子流与喷嘴中心线的空间夹角必须在25-40°内。

5.根据权利要求1、3所述，金属液流量Q与固相粒子输送量W₁之比K＝Q/W1将决定沉积合金的成分-固相粒子含量：这一定量关系必须加以保护。

上述计算原理和测试方法也应加以保护。

6.根据权利要求1、3所述，用以固相粒子加速的高压气体必须考虑在高温下是否对金属液流和固相粒子能否产生有害的化学反应(如氧化、氮化等)，否则必须使用Ar、He等惰性气体。

7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述，用WC等高速固相粒子对高速钢液流进行分散、混合、喷射沉积的工艺可以制备WC/钢结硬质合金超硬层与普碳钢或不锈钢的双层或多层复合(装甲)材料及部件。这是本专利特有的功能和珍贵的应用价值。必须加以保护。

8.根据权利要求1、7所述，本专利可直接制备出具有特定外型和特定内腔形状和尺寸的模具，也可直接喷射沉积浮雕、半浮雕艺术制品，这一技术及其应用领域必须加以保护。