CN104148621B - 一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺及其产品，该工艺包括：将硬质合金颗粒料放置在模具中；向模具中浇注基体材料合金溶液，浇注温度至少比基体材料熔点高50℃以上；淬火、冷却，制得双金属复合产品。该产品的硬质合金颗粒与基体材料的熔解结合层厚度为0.03～0.5毫米，硬质合金部分硬度为HRC80--90。本发明采用颗粒状硬质合金原料，并通过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，强化了硬质合金材料与基体金属材料之间的冶金熔合，避免了硬质合金预制块体的断裂、脱落，加强了双金属复合产品的强度、韧性和耐磨度，改善了双金属复合产品的适应范围和使用寿命，同时还降低了工艺难度和生产成本。

Description

一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺及其产品

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硬质合金颗粒熔铸工艺及其制成的破碎机锤头、衬板、捣固镐或其它机械设备配件等耐磨双金属复合产品。

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。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预制块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以及硬质合金预制块体的韧性、强度、断裂、脱落等特点有待研究改进；并且，此技术只适用于铸造大型锤头(单重50公斤以上)，且只能以硬质合金预制块的形式生产，工艺及生产成本较高，缺乏竞争力。

此外，申请人早前采用先将硬质合金柱状体放在模具内，再浇注基体材料合金溶液的方法，制备双金属复合产品，所得产品能够实现硬质合金材料与基体材料的冶金结合，具有较好的耐磨度。但是，在进一步实践中申请人逐渐发现，采用这一方案的产品仍会出现硬质合金部分呈块状脱落的现象，因而有待进一步加以改进。

由此可见，现有技术中的双金属复合工艺及其产品仍存在不足，如何创设一种可进一步加强硬质合金材料与其他金属材料之间的熔合，避免脱落、分离，提高产品使用寿命，并可进一步提升耐磨度、降低工艺难度和生产成本的新的双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺及其产品，实属当前本领域的重要改进目标之一。

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硬质合金颗粒熔铸工艺及其产品，使其进一步加强硬质合金材料与其他基体金属材料之间的熔合，避免脱落、分离，提高产品使用寿命，并可进一步提升耐磨度、降低工艺难度和生产成本，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硬质合金颗粒熔铸工艺，包括以下步骤：将硬质合金颗粒料放置在模具中；向模具中浇注基体材料合金溶液，浇注温度至少比基体材料熔点高50℃以上；淬火、冷却，制得双金属复合产品。

作为本发明的一种改进，所述的硬质合金颗粒大小为0.1mm×0.1mm×0.1mm～20mm×20mm×20mm。

所述的浇注温度至多比基体材料熔点高200℃。

所述的硬质合金颗粒料为球状体、半球体、规则多面体或不规则多面体形状。

所述的放入模具中的硬质合金颗粒料的总体积与基体材料的体积比为10～50％。

所述的淬火温度950-1050℃。

所述的基体材料为铸铁或中、低合金铸钢。

所述的硬质合金颗粒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。

此外，本发明还提供了一种应用上述工艺制造的双金属复合硬质合金颗粒熔铸产品，所述的硬质合金颗粒与基体材料的熔解结合层厚度为0.03～0.5毫米，硬质合金部分硬度为HRC80--90。

所述的产品为破碎机锤头、衬板、铁路捣固镐或机械设备配件。

采用这样的设计后，本发明采用颗粒状硬质合金原料，并通过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，进一步强化了硬质合金材料与基体金属材料之间的冶金熔合，从而有效避免了硬质合金预制块体的断裂、脱落，进一步加强了双金属复合产品的强度、韧性和耐磨度，改善了双金属复合产品的适应范围和使用寿命，同时还降低了工艺难度和生产成本，更适于推广应用。

具体实施方式

本发明双金属复合硬质合金颗粒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)废料制成颗粒状，具体形状可以是球状、椭球状、半球状、立体三角或其它规则或不规则的多面体等。

由于后续步骤采用的颗粒料粒径较小，本发明对硬质合金料的具体形状并无特殊要求，因此为前期硬质合金料的加工降低了工艺难度，并降低了采购成本。颗粒状的硬质合金原料更适于应用在各种形状的双金属复合产品的生产中，尤其适于生产体积较大的双金属复合产品。

进一步来说，硬质合金颗粒以不小于0.1mm×0.1mm×0.1mm的颗粒为宜，一般不宜超过20mm×20mm×20mm。具体可根据所采用的硬质合金材料的力学性能、基体材料的性能以及产品体积、重量，还要考虑到产品的工作对象、工况等因素，综合选定硬质合金颗粒的种类和大小。一般来说，对产品耐磨度要求越高，应选用的颗粒越多，耐磨度要求越低，应选用的颗粒越少。

之后，将硬质合金颗粒料直接放置在模具中。

进一步来说，最好将硬质合金颗粒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10～50％为宜。

最后，将基体材料溶液导入模具，并淬火、冷却得到本发明双金属复合产品。

其中，基体材料可根据需要采用铸铁或中、低合金铸钢等各种材料，淬火温度以950℃为最佳，冷却条件可采用与现有双金属复合产品热处理相同的空冷工艺。浇注温度至少比基体材料熔点高50℃以上，高100℃以上更好，但是一般不宜高过200℃。

据显微镜观测，依据本发明上述工艺制造的双金属复合硬质合金颗粒熔铸产品的熔解结合层厚度为0.03～0.5毫米，因此硬质合金颗粒材料的粒径控制在0.1～20毫米，可使得熔铸后的硬质合金在除去熔解结合部分后，仍保持适当的的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，浇注温度一般控制在1650℃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。本发明通过对硬质合金颗粒的力学性能、尺寸粒度和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/cm²2500)；基体组分为锰铬硅钼镍低合金铸钢材料；硬质合金采用0.1mm*0.1mm*0.1mm的正方形结构颗粒，放置在模具中工作部分顶端位置；浇注温度1550度；淬火温度950度空冷。捣固镐上部形状为圆柱体，耐磨复合层50mm*35mm*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。

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/cm²1150)；基体组分为锰铬硅钼镍低合金铸钢材料；硬质合金采用5mm*5mm*5mm正方体结构颗粒；放置在模具中工作部分位置；浇注温度1570度；淬火温度950度空冷。锤头形状为长方体65mm*30mm*590mm，耐磨复合层65mm*45mm*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，硬质合金颗粒部分无碎裂掉渣现象，周围基体部分较硬质合金颗粒部分磨损明显。

实施例三

利用本发明工艺生产矿山大型破碎机锤头，成分：YG8硬质合金(硬度HRA89.5，抗弯强度：N/cm²1600)；基体组分为锰铬硅钼镍低合金铸钢材料；硬质合金采用20mm*20mm*20mm的不规则多边结构结构颗粒；放置在模具中工作部分对应位置；浇注温度1650度；淬火温度950度空冷。锤头形状为扇形体360mm*100mm*500mm，耐磨复合层360mm*100mm*80mm，总重960公斤。锤头基体硬度HRC52，硬质合金部分硬度HRA97约相当于HRC78，大大提高了工作部分的的强度、硬度，使锤头的工作寿命提高三倍以上；但是，金相显示：基体组织呈马氏体、少量残留奥氏体，硬质合金组织及其周围的熔解结合层基体上分布有WC、W₂C和M₇C₃碳合物，伴有少量Fe₃W₃C、WO₃氧化物的形成，说明了浇注温度过高对碳化物类型的影响；磨损面显示，硬质合金部分有少量细微小颗粒碎裂，说明基体对硬质合金的支撑保护作用减弱，硬质合金颗粒不宜太粗，YG8不适用物料坚硬，冲击力度大的工作环境，应选用冲击韧度高的硬质合金颗粒。说明可以根据工况需要选择不同力学性能和粒度的硬质合金颗粒材料。

综上，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、铬碳化物与高温溶液完全润湿，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硬质合金颗粒熔铸工艺产品的铸件硬度为HRC52-62,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，可比传统耐磨材料产品的使用寿命提高3-5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；基体材料以其强硬的马氏体组织将硬质合金颗粒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。

相对于现有技术中采用的，在基体材料中镶嵌硬质合金预制块体的制造工艺，本发明设置相应浇注温度，在基体材料中熔铸相应尺寸、硬度、韧性的硬质合金颗粒，形成双金属的冶金结合，有效地避免了硬质合金块脱落、断裂现象，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，从而提高了双金属复合产品的耐磨度、适应范围和使用寿命，

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)

1.一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺，其特征在于：所述工艺由如下步骤组成：

1)将硬质合金颗粒料直接放置在模具中；

2)向模具中浇注基体材料合金熔液，浇注温度比基体材料熔点高50～200℃；

3)淬火、冷却，制得双金属复合产品，所述淬火温度为950-1050℃。

2.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺，其特征在于所述的硬质合金颗粒大小为0.1mm×0.1mm×0.1mm～20mm×20mm×20mm。

3.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺，其特征在于所述的硬质合金颗粒料为球状体、半球体、规则多面体或不规则多面体形状。

4.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺，其特征在于所述的放入模具中的硬质合金颗粒料的总体积与基体材料的体积比为10～50％。

5.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺，其特征在于所述的基体材料为铸铁或中、低合金铸钢。

6.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸工艺，其特征在于所述的硬质合金颗粒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。

7.一种应用权利要求1-6中任一项所述工艺制造的双金属复合硬质合金颗粒熔铸产品，其特征在于所述的硬质合金颗粒与基体材料的熔解结合层厚度为0.03～0.5毫米，硬质合金部分硬度为HRC80--90。

8.根据权利要求7所述的一种双金属复合硬质合金颗粒熔铸产品，其特征在于所述的产品为破碎机锤头、衬板、铁路捣固镐或机械设备配件。