CN104404335A - 一种钢结硬质合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢结硬质合金，硬质相为（TiW）C固溶体，质量百分比为（60～80）wt%，其余为粘结相；粘结相中各成分与重量百分比分别为：Mn（2.8～6）wt%、Cr（0.8～1.6）wt%、Mo（0.45～0.9）wt%、Ni（0.9～1.8）wt%、C（0.4～0.85）wt%，Fe为余量。本发明钢结硬质合金采用粉末冶金方法制备，（TiW）C固溶体作为硬质相，高猛钢为粘结相，减少战略资源W、Co的用量，通过在粘结相中加入Cr、Mo和微量稀土元素，强化粘结相和提高两相结合强度，保证材料强度和耐磨性，适用于于凿岩和地矿类产品。

Description

一种钢结硬质合金
 
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种钢结硬质合金。
背景技术
硬质合金是用粉末冶金方法生产的由难熔金属化合物和粘结金属所构成的组合材料。WC-Co硬质合金作为最传统的兼具强韧性和高耐磨性的工具材料广泛应用于凿岩、地矿类等使用领域。W、Co作为战略性资源，价格昂贵，且WC和Co粉末在生产过程中的吸入也对人体有害，因此一直以来都有各种研究来代替或者减少W、Co的使用量，其中铁镍代钴新型硬质合金是一个研究很广泛的一个课题，另外钢结硬质合金也因其独特的性能被重视和研究。
钢结硬质合金简称钢结合金，是一种以难熔金属化合物为硬质相，以钢为粘结相的组合材料。钢结合金的性能特点是在保持高硬度和耐磨性的基础上，较大幅度地提高了强度和韧性，适于较大冲击负荷条件下使用，主要多用于模具类和耐磨零件类。与硬质合金相比，钢结合金具有较好的韧性，且成本低，性价比高，有效节约紧缺战略性资源。
传统钢结合金的硬质相含量一般不超过50%，来保证合金具有可加工性和热处理性的同时保证一定的耐磨性，但由于其硬质相含量的局限性，其硬度和耐磨性不能满足凿岩和地矿类工具领使用要求。近年来，钢结合金硬质相范围不断扩宽，向硬质合金领域延伸，尽量提高硬质相的含量，在保证合金足够的强度的情况下尽量提高其耐磨性，目前硬质相含量最高可达94%。
钢结合金按硬质相种类主要分为WC系和TiC系两大类，由于单一硬质相钢结合金的综合性能和节约生产成本方面考虑，其优势不足以满足部分取代某些使用领域的传统硬质合金。因此，复合硬质相和多样化的粘结相研究获得了大家的重视。
专利201310494175.8提供了一种金属陶瓷材料，所述陶瓷金属材料由以下组分所构成：60～90份TiC，0～10份WC，0～5份NbC，0～5份Cr3C2，5～25份Fe，1～10份Ni，0.5～5份Co，0.5～5份Cu，0.5～5份Mn，0.5～5份Cr，0～5份Mo以及0～10份TiN，可以大幅度降低碳化钨使用的金属陶瓷材料，以降低产品成本和节约资源。该专利金属陶瓷材料抗弯强度非常低，其焊接性能不明确，不适用与凿岩和地矿类产品。
专利201310162522.7 提供一种不锈钢基钢结合金切削刀具材料，TiC 15～20%，WC 10～40%，不锈钢粉10～40%，TaC和NbC各0.1～5%，碳粉5～10%，硬质合金成型剂10～20%，该专利材料的高温硬度和高温强度具有优势，可在高温下连续快速切削。 
专利201310174576.5 提供了一种碳化钛-碳化钨复合硬质合金，该硬质合金包括作为硬质相的碳化钛合金-碳化钨合金混合物、作为粘结相的Fe3Al合金和金属Mo，硬质相质量百分比50%～90%、粒径5～8μm的碳化钨合金和占硬质相质量百分比10%～50%、粒径1～3μm的碳化钛合金； Fe3Al合金占硬质合金的质量百分比为5.5%～15%，Mo占硬质合金的质量百分比为0.5%～1%。 通过用Fe3Al+Mo作为新的粘结相替代传统粘结相Co，解决了液态粘结相与硬质相润湿性差的问题。
专利200510031793.4 提供了一种可焊接、高耐磨、高韧性碳化钛基硬质合金，以重量百分比计，取32％TiC，27％WC，6％Ni，1％V-Fe，3％TaC或NbC，4％Mn，22％Fe，2％Co，3％Cu，外加适量的C，可制成500℃左右高温工作条件的耐腐蚀材料、耐磨材料、热锻模具用材及其零件和工具。
上述的4项专利涉及了TiC-WC复合硬质相，但从硬质相和粘结相成分及比例方面，以及其所能达到的综合性能方面看，与传统WC-Co类硬质合金存在较大差距，无法满足凿岩和地矿类产品等领域使用要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种钢结硬质合金，孔隙度低，具有高的硬度和耐磨性，以及好的可焊接性能，可用于凿岩和地矿等使用领域。 
本发明的技术方案为：一种钢结硬质合金，硬质相为（TiW）C固溶体，质量百分比为（60～80）wt %，其余为粘结相；粘结相中各成分与重量百分比分别为：Mn（2.8～6）wt%、Cr（0.8～1.6）wt%、Mo（0.45～0.9）wt%、Ni（0.9～1.8）wt%、C（0.4～0.85）wt%，Fe为余量。
选用（TiW）C固溶体TiC和WC的重量比为3：（3~7）时有较好的耐磨性，更优选为1:1。
配料时选用的各原料及加入比例分别为：（TiW）C固溶体（60～80）wt %，Cr3C2粉（0.9～1.85）wt %，Ni粉（0.9～1.8）wt %，Mo粉（0.45～0.9）wt %，MnFe粉（3.5～7.5）wt %，炭黑（0.3～0.6）wt %，Fe粉为余量。更优选各原料加入比例分别为：（TiW）C固溶体（70～80）wt %，Cr3C2（0.9～1.38）wt %，Ni（0.9～1.35）wt %，Mo（0.45～0.68）wt %，MnFe粉（3.5～5.5）wt %，炭黑（0.3～0.45）wt %，Fe为余量。
优选上述Ni粉和Fe粉分别为羟基Ni粉和羟基Fe粉。优选Cr3C2的粒度≤1.0μm。
作为改进，还添加有0.01wt%的稀土元素。优选添加的稀土元素为Y或Ce。
制备本发明的钢结硬质合金主要包括以下步骤：配料、球磨、压制成型、烧结。产品烧结时的接触材料为氧化锆或氧化铝，其可以做成板材，也可以涂层在石墨舟皿上使用，烧结温度1350～1450℃，保证烧结产品的表面质量。因为固溶体和粘结相的密度相近，因此尽管硬质相和粘结相成分比例有较大范围变化，但所获得合金的密度均为7.6g/cm3左右。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用（TiW）C固溶体作为主要硬质相，高猛钢为粘结相，可减少战略资源W、Co的用量，有效的降低生产和使用成本，通过在粘结相中加入Cr、Mo等元素，强化粘结相和提高两相结合强度，达到净化晶界、强化合金基体组织、保证材料强度和耐磨性目的。
2.本发明钢结合金较TiC基钢结合金的焊接性、耐磨性好，较传统硬质合金降低成本，从而实现了钢结合金综合性能的提升，适用于于凿岩和地矿类产品,可用于中低硬度岩层钎片、球齿和铲雪片等地矿领域，替代部分传统硬质合金。
具体实施方式
试验表明（TiW）C固溶体TiC和WC的重量比为30:70、40:60、50:50时，得到的钢结硬质合金均有较好的耐磨性，以下实施例以50:50进行试验。
按小批总重量1000g进行配料计算，将一定重量百分比的（TiW）C固溶体、MnFe粉、Cr3C2粉、Mo粉、Ni粉、炭黑、稀土和余量的铁等几种粉末按要求配料，以硬质合金棒为研磨体，球料比为4:1，以酒精为介质湿磨24～30小时后卸料，喷雾干燥制粒后压制成型，最后进行一体烧结，以氧化锆舟皿为接触材料，在1350～1450℃下烧结保温1小时后随炉冷却（根据装炉量的不同保温时间1～4h），可以是真空烧结也可以加压烧结，得到高硬度、高尺寸精度的钢结硬质合金产品。具体合金制备成分配料见表1，合金典型性能见表2。
表1 实施例混合料制备成分配比（单位：g）
编号 （TiW）C 锰铁粉 Cr3C2 Mo Ni 炭黑 稀土 Fe
实施例1 600 73.4 18.5 9 18 6 1 余量
实施例2 700 55 13.8 6.8 13.5 4.5 1 余量
实施例3 800 36.7 9.2 4.5 9 3 1 余量
实施例4 700 55 13.8 6.8 13.5 4.5 0 余量
实施例5 800 36.7 9.2 4.5 9 3 0 余量
表2 实施例制备合金的典型性能
编号 抗弯强度，MPa 硬度，HRA 孔隙度
实施例1 2240 88.4 A02B00
实施例2 2080 90.6 A02B00
实施例3 1960 92.2 A02B00
实施例4 1890 90.4 A04B00
实施例5 1800 92.0 A04B00

Claims (10)

1.一种钢结硬质合金，其特征在于：硬质相为（TiW）C固溶体，质量百分比为（60～80）wt %，其余为粘结相；粘结相中各成分与重量百分比分别为：Mn（2.8～6）wt%、Cr（0.8～1.6）wt%、Mo（0.45～0.9）wt%、Ni（0.9～1.8）wt%、C（0.4～0.85）wt%，Fe为余量。
2. 根据权利要求书1所述的钢结硬质合金，其特征在于：（TiW）C固溶体中TiC和WC的重量比为3：（3~7）。
3. 根据权利要求书2所述的钢结硬质合金，其特征在于：（TiW）C固溶体中TiC和WC的重量比为1：1。
4. 根据权利要求书1~3之一所述的钢结硬质合金，其特征在于：配料时选用的各原料及加入比例分别为：（TiW）C固溶体（60～80）wt %，Cr3C2粉（0.9～1.85）wt %，Ni粉（0.9～1.8）wt %，Mo粉（0.45～0.9）wt %，MnFe粉（3.5～7.5）wt %，炭黑（0.3～0.6）wt %，Fe粉为余量。
5. 根据权利要求书4所述的钢结硬质合金，其特征在于：各原料加入比例分别为：（TiW）C固溶体（70～80）wt %，Cr3C2（0.9～1.38）wt %，Ni（0.9～1.35）wt %，Mo（0.45～0.68）wt %，MnFe粉（3.5～5.5）wt %，炭黑（0.3～0.45）wt %，Fe为余量。
6. 根据权利要求书4所述的钢结硬质合金，其特征在于：Ni粉和Fe粉分别为羟基Ni粉和羟基Fe粉。
7. 根据权利要求书4所述的钢结硬质合金，其特征在于：Cr3C2的粒度≤1.0μm。
8. 根据权利要求1、2、3、5或6所述的钢结硬质合金，其特征在于：还添加有0.01wt%的稀土元素。
9. 根据权利要求书8所述的钢结硬质合金，其特征在于：添加的稀土元素为Y或Ce。
10.一种权利要求1~9之一所述钢结硬质合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：配料、球磨、压制成型和烧结，烧结温度1350～1450℃。
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