CN104210172A - 一种凿岩工具用的硬质合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凿岩工具用的硬质合金，该硬质合金分为两层：表层和基体；表层和基体采取两种不同粒度、不同钴含量的钨钴合金，在表层的组分中采用粒度为较细颗粒的碳化钨，低钴含量，在基体的组分中采用平均粒度为较粗颗粒的碳化钨，高钴含量。该硬质合金的制备方法为：将基体混合粉粉末和表层混合粉粉末，分别进行球磨、掺胶工序处理后，压制成凿岩工具用的硬质合金毛坯；使得表层混合料粉末均匀地包裹在基体表面的至少一部分上，然后进行微波烧结。通过以上方法得到的硬质合金在其基体的一部分表面上，如齿尖的表层中，具有高硬度、高耐磨性；而基体具有高韧性，耐冲击的特征，较好地适应了凿岩工具的工况，大大地提高了其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金材质及其制造方法，特别是涉及一种凿岩工具用的硬质合金。
背景技术
在实际工作中，凿岩工具承受着复杂多变的载荷，所以要求凿岩工具用的硬质合金具有强度和硬度的良好的配合，而这一点对于钨钴硬质合金来说是极其困难的：含钴量高、含碳化钨量低的硬质合金韧性好，但硬度低、耐磨性差；而含钴量低、含碳化钨量高的硬质合金硬度高、耐磨性好，但韧性低，不耐冲击，容易脆断和崩裂。也就是说，硬质合金的硬度和强度，韧性和耐磨损性能之间存在着尖锐的矛盾，难以同时提高。长久以来，很多材料科学家做了大量的工作，获得了一些进步。如：20世纪末期，世界最著名的硬质合金公司——瑞典山特维克(SANDVIK)采取原子扩散的工艺，使得硬质合金表层和心部的含钴量有所不同，表层含钴量很低达到3-5％，从而达到表层耐磨；心部含钴量大约为10％，达到韧性好、耐冲击的性能，从而解决了耐磨性和韧性这样一对矛盾；此外，目前还有很多公司采取不同的碳化物颗粒配比，调整钴相的分布，减少孔隙率，制成双峰或三峰的钨钴合金，等等。但是这些处理方法要么是工艺复杂，成本昂贵；要么就是没有达到理想的强度和韧性的良好配合程度。因此，寻找出一种更好的制造凿岩工具用的硬质合金方法仍然是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更加简单、便捷的途径来使硬质合金能够更好地适合于凿岩工具。
针对目前存在的问题，本发明在硬质合金的表层(如齿尖的表层)和基体采取了两种不同粒度、不同钴含量的钨钴合金，来制造出新的硬质合金，即在表层的组分中采用粒度较细颗粒的碳化钨，低钴含量，在基体的组分中采用平均粒度为较粗颗粒的碳化钨，高钴含量。通过微波烧结，得到的硬质合金在其表层具有高硬度、高耐磨性；而基体具有高韧性，耐冲击的特征，较好地适应了凿岩工具的工况，大大地提高了其使用寿命。
下面详细说明：
硬质合金的表层，其特征是，各组份的质量百分比为：WC粉92％～95％，Co粉5％～8％，其中WC粉的颗粒范围为0.6～0.8μm；Co粉颗粒范围为1.0～1.5μm。
硬质合金的基体，其特征是，各组份的质量百分比为：WC粉90％～94％，Co粉6％～10％，其中WC粉由三种粒度组成：A,较细颗粒的WC粉占WC粉重量的25～35％；B,中等颗粒的WC粉占WC粉重量的25～35％；C,较粗颗粒的WC粉占WC粉重量的35～50％；所述A类WC粉的颗粒范围为0.8～1.2μm,B类WC粉的颗粒范围为1.5～2.3μm,C类WC粉的颗粒范围为2.5～3.5μm；Co粉粒度范围为1.0～1.5μm。
将基体混合粉粉末和表层混合粉粉末，分别进行球磨、掺胶等工序处理后，压制成凿岩工具用的硬质合金毛坯；使得表层混合料粉末均匀地包裹在基体表面的至少一部分上；表层混合料的厚度为1～5mm可调。
上述步骤中，将目前硬质合金行业通用的压机再增加一套送料机构，使其能够两次送料，第一套送料机构送基体料，第二套送料机构送表层料，基体料在下面，表层料在上面，然后压制成锥形齿或球形齿毛坯。
本发明的硬质合金利用微波烧结，与传统的真空烧结，包括低压烧结相比，微波烧结的优点在于：1、细颗粒碳化钨不会或难以长大。2、合金内的钴来不及远程扩散，就是说基体心部的高钴含量来不及扩散到表层中去。3、由于微波烧结的“体加热效应”使得心部和表层的结合处会产生一个很好的过渡层，结合面不会开裂，二者结合的非常牢固。4、微波烧结的合金密度较高，孔隙率很低。
上述微波烧结炉的参数如下：总功率50千瓦连续可调，频率2.45GHz,真空和保护气氛均可，装炉量：100Kg，冷却方式：风冷。
上述微波烧结炉的具体工艺为:该工艺为三阶段：脱脂、氧化还原及最终致密化三个阶段；脱脂阶段控制条件为：惰性气体保护，压力：3*103～20Pa；温度：室温～400-600℃；升温速度：3～20℃/分，400～600℃时保温10～30分；然后以10～30℃/分的速度升温至氧化还原阶段；氧化还原阶段控制条件为：惰性气体保护，压力：3*103～20Pa；温度：900～1200℃；保温：30～40分；然后以10～20℃/分的速度升温至最终致密化阶段，该阶段控制条件为：惰性气体保护，压力：0～0.3MPa；温度：1250～1390℃；最高温度时保温时间：20～40分；最终致密化阶段完成以后，风冷至150℃以下出炉。
上述惰性气体可以为氮气或氩气。
上述三阶段分为两种形式，一是连续进行，即脱脂、氧化还原及最终致密化三阶段，连续微波烧结来完成；二是单独在脱脂炉中进行脱脂，冷却出炉，然后再进行后两个阶段——氧化还原和最终致密化的微波烧结。
通过以上方法得到的硬质合金在其基体的一部分表面上，如齿尖的表层中，具有高硬度、高耐磨性；而基体具有高韧性，耐冲击的特征，较好地适应了凿岩工具的工况，大大地提高了其使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例一的硬质合金的剖面示意图；
图2是本发明实施例一的硬质合金的金相图。
图中：
1、表层 2、基体
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
实施例一：
SZ0913硬质合金锥形齿的组成及制备方法如下：
表层硬质合金：其特征为：它由下述重量百分比组分原料制备而成：含钴量7％，其余为碳化钨和极少量不可避免的杂质。碳化钨的粒度0.8μm；
基体硬质合金：其特征为：它由下述重量百分比组分原料制备而成：含钴量8％，其余为碳化钨和极少量不可避免的杂质。碳化钨的粒度为1μm,2μm和3μm，其重量比为：1μm:2μm:3μm＝30％:30％:40％。配粉后，两种粉末分别球磨，脱酒精，掺胶，制粒，压制成带有复合层的锥形齿毛坯，微波烧结。
上述过程中使用的压机将目前硬质合金行业通用的压机再增加一套送料机构，使其能够两次送料，第一套送料机构送基体料，第二套送料机构送表层料，基体料在下面，表层料在上面，然后压制成锥形齿毛坯。
本实施例的微波烧结工艺如下：分为三阶段连续烧结：即脱脂、氧化还原及最终致密化三个阶段连续进行。脱脂阶段控制条件为：氮气保护，压力：3*103～20Pa；以升温速度：12℃/分，由室温升到550℃；550℃时保温15分；以15℃/分速度升温到1080℃；保温：30分；然后以12℃/分的速度升温至最终致密化阶段1370℃，氮气保护，压力：0.3MPa；保温时间：30分；风冷至150℃以下出炉。
然后沿锥形齿的纵轴方向剖开，在显微镜下，可以看到该毛坯的齿尖部位的表面有约2mm厚的细晶粒层，该层硬度为HRc＝89～90，基体的晶粒要粗大一些，硬度HRc＝87～88。经井下现场实际考核，其使用寿命可以提高20～80％
由图2可以看出，上半部分的表层与下半部分的基体结合的非常好。
实施例二：
SZ1424硬质合金锥形齿的组成及制备方法如下：
表层硬质合金：其特征为：它由下述重量百分比组分原料制备而成：含钴量6％，其余为碳化钨和极少量不可避免的杂质。碳化钨的粒度为0.6μm；
基体硬质合金：其特征为：它由下述重量百分比组分原料制备而成：含钴量:7％，其余为碳化钨和极少量不可避免的杂质。碳化钨的粒度为1μm，2μm和3.2μm，其重量比为：1μm:2μm:3.2μm＝30％：30％:40％。配粉后，两种粉末分别球磨，脱酒精，掺胶，制粒，压制成带有复合层的锥形齿毛坯，微波烧结。
上述过程中使用的压机将目前硬质合金行业通用的压机再增加一套送料机构，使其能够两次送料，第一套送料机构送基体料，第二套送料机构送表层料，基体料在下面，表层料在上面，然后压制成锥形齿毛坯。在脱脂炉中脱脂，然后进行微波烧结。
本实施例的微波烧结工艺如下：氮气气体保护，压力：3*103～20Pa；以升温速度：15℃/分，由室温升到550℃；550℃时保温10分；再以15℃/分速度升温到1080℃；保温：30分；然后以12℃/分的速度升温至最终致密化阶段1350℃，氮气保护，压力：0.3MPa；保温时间：30分；风冷至150℃以下出炉。
然后沿锥形齿的纵轴方向剖开，在显微镜下观察，可以看到该毛坯的齿尖部位的表面有约2～3mm厚的细晶粒层，该层硬度为HRc＝90～90.5，基体的晶粒要粗大一些，硬度HRc＝87～88。经矿山实际考核，其使用寿命可以提高50％～80％以上。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种凿岩工具用的硬质合金，其特征在于：硬质合金分为两层：表层和基体；表层和基体采取两种不同粒度、不同钴含量的钨钴合金，在表层的组分中采用粒度为较细颗粒的碳化钨，低钴含量；在基体的组分中采用平均粒度为较粗颗粒的碳化钨，高钴含量。
2.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于：硬质合金的表层各组份的质量百分比为：WC粉92％～95％，Co粉5％～8％，其中WC粉的颗粒范围为0.6～0.8μm；Co粉颗粒范围为1.0～1.5μm。
3.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于：硬质合金的基体各组份的质量百分比为：WC粉90％～94％，Co粉6％～10％，其中WC粉由三种粒度组成：A,较细颗粒的WC粉占WC粉重量的25～35％；B,中等颗粒的WC粉占WC粉重量的25～35％；C,较粗颗粒的WC粉占WC粉重量的35～50％；所述A类WC粉的颗粒范围为0.8～1.2μm,B类WC粉的颗粒范围为1.5～2.3μm,C类WC粉的颗粒范围为2.5～3.5μm；Co粉粒度范围为1.0～1.5μm。
4.根据权利要求1所述的硬质合金，其特征在于：所述表层厚度为1～5mm。
5.权利要求1-4任一项所述的硬质合金的制备方法，其特征在于：将基体混合粉粉末和表层混合粉粉末，分别进行球磨、掺胶工序处理后，压制成凿岩工具用的硬质合金毛坯；使得表层混合料粉末均匀地包裹在基体表面的至少一部分上，然后进行微波烧结。
6.根据权利要求5所述的硬质合金的制备方法，其特征在于：所述微波烧结分为三阶段：脱脂、氧化还原及最终致密化三个阶段。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述脱脂阶段控制条件为：惰性气体保护，压力：3*103～20Pa；温度：室温～400-600℃；升温速度：3～20℃/分，400～600℃时保温10～30分；然后以10～30℃/分的速度升温至氧化还原阶段；氧化还原阶段控制条件为：惰性气体保护，压力：3*103～20Pa；温度：900～1200℃；保温：30～40分；然后以10～20℃/分的速度升温至最终致密化阶段，该阶段控制条件为：惰性气体保护，压力：0～0.3MPa；温度：1250～1390℃；最高温度时保温时间：20～40分；最终致密化阶段完成以后，风冷至150℃以下出炉。
8.根据权利要求6或者7所述的制备方法，其特征在于：微波烧结的三阶段分为两种形式，一是连续进行，即脱脂、氧化还原及最终致密化三阶段，连续微波烧结来完成；二是单独在脱脂炉中进行脱脂，冷却出炉，然后再进行后两个阶段——氧化还原和最终致密化的微波烧结。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：该制备方法中使用的压机具有两套送料机构，第一套送料机构送基体料，第二套送料机构送表层料，基体料在下面，表层料在上面。
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