CN104894452A - 一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法。WC-Fe-Ni硬质合金辊环是通过粉末冶金方法将平均晶粒尺寸为6-15μm含量为75~92wt%的WC硬质相（其碳含量为6.01~6.11wt%），粒径为2-4μm含量为5~14wt%的Fe粉，粒径为2-4μm含量为3~11wt%的Ni粉，经球磨混料，压制成形，在4.5~6.0MPa压力下加压烧结而成。烧结加工成型后再将硬质合金辊环以20～30℃/min的速度冷却到-80℃～-100℃，保温2～10小时，再以20～30℃/min的速度升至室温。WC-Fe-Ni辊环经深冷处理发生马氏体相变，且在粘接相中析出弥散分布的W，进一步强化粘接相，其硬度提高19.5%，摩擦系数减少22.4%，耐磨性提高55.5%，综合性能优于YGR55（WC-25(Co-Ni-Cr)）的硬质合金辊环，使用寿命比YGR55硬质合金辊环产品提高了5%，生产成本降低15%以上。

Description

一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法。

背景技术

现用硬质合金辊环材料是一种以难熔金属化合物WC为硬质相，以过渡族金属Co、Ni、Cr为粘接相，通过粉末冶金方法制备而成的金属陶瓷工具材料。目前,市场上主要使用WC-Co和WC-Co-Ni-Cr两种材质的硬质合金辊环。根据不同轧制条件对轧辊性能的要求, 不同精轧机架和预精轧机架需要选择不同牌号的硬质合金辊环，以实现各机架牌号的最佳匹配，硬质合金辊环材料中Co的含量在6～30wt%之间调整,以满足辊环不同的韧性和耐磨性要求。Co作为一种昂贵而稀缺的金属，全球储量极其有限，价格昂贵且逐年上涨，并且污染环境，节约和替代Co成为影响我国硬质合金行业生存和发展的头等大事，要解决此问题就需要开发出能够替代Co做粘接相的新产品，并且提高现有硬质合金的使用效率和寿命。采用Fe、Ni金属复合粉作为粘接相能够大幅节约Co的使用，开发出的新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环能够在提高辊环的使用寿命和性能的基础上大幅节约成本。

在高速线材生产中，硬质合金辊环的使用条件非常恶劣，对辊环的要求也非常苛刻，在热轧过程中要经受高温、热冲击、热腐蚀、轧制应力、冲击载荷等的作用。因此，硬质合金辊环要具有良好的耐磨性、断裂韧性、高温红硬性、热传导性、耐热疲劳性和高温强度等特点。

为了改善硬质合金辊环性能,提高使用寿命,需要对辊环进行必要的处理，以提高辊环的耐磨性和抗冲击性能来提高辊环的性能和使用寿命。

深冷处理作为一种传统热处理工艺的扩展和延续，是将被处理材料置于低温环境中对材料进行一定时间处理，使材料微观结构和应力状态发生改变，它作为传统热处理工艺的扩展，也秉承了热处理的优点，在一定程度上达到改善材料组织结构和强化性能的目的。

对WC-Fe-Ni硬质合金辊环进行深冷处理改变材料的内部组织结构，使粘接相得到强化，深冷处理后的硬质合金辊环耐磨性、硬度、抗压强度和冲击韧性等力学性能得到大幅提高。经深冷处理后的WC-Fe-Ni硬质合金辊环较传统的同规格的现用辊环使用寿命大幅提高，质量可以与国外进口辊环相媲美，价格低廉，性价比高，特别适合推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对目前硬质合金辊环成本偏高，在性能方面要同时具有良好的耐磨性、红硬性、耐热疲劳性及较高的抗冲击韧性的特点，提供一种成本比传统辊环更低廉，性能更优，同时具有高耐磨性和高韧性特点的新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法，满足高速线材的轧制要求。

为实现上述目的，本发明提供一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法，该WC-Fe-Ni硬质合金辊环中硬质相占合金的重量百分比为75~92%，其中硬质相WC粉的平均晶粒尺寸为6-15μm，碳含量为6.01~6.11wt%。粘结相为8~25wt%(Fe/Ni)粉，所用粒径为2-4μm的Fe粉含量为5~14wt%，粒径为2-4μm的Ni粉含量为3~11wt%。并将各组分WC、Fe、Ni 经球磨，干燥、压制，低压烧结制得硬质合金辊环，并对机加工后成品就行一定时间的深冷处理。

本发明的制备工艺是直接用粉末冶金的工艺方法制备WC-Fe-Ni硬质合金，将一定粒度的WC粉末、Fe、Ni粉按一定的比例配比，经球磨，干燥、压制，低压烧结制得硬质合金辊环，具体工艺步骤如下：

（1）球磨混料：将WC粉（平均晶粒度6-15μm）、羟基Fe粉（平均晶粒度2-4μm）和羟基Ni粉（平均晶粒度2-4μm）按一定比例一次性混合完成，以汽油作为球磨介质，其中每公斤混合料加入200~400ml的汽油，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球，按照硬质合金球与混合料的质量比为(3~5):1，球磨转速为150~200rpm，在滚筒球磨机上球磨混料12~30h，球磨混料后，料浆在真空环境中于80~110℃下干燥4~8h；

（2）掺胶：使用合成橡胶做成型剂，按占混合料质量百分比的1.2~1.5%掺入橡胶，加入球磨干燥后的混合料中，均匀拌和后进行干燥、制粒；

（3）压制成型：将通过上述工艺制得的混合粉料，装入用于制备辊环的模具中，通过压机在150~250MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯；

（4）排胶和烧结：将压制成型好的硬质合金辊环压坯置于排胶炉中在530~590℃下排胶60~80min，排胶过后置于气压烧结炉中在1350~1410℃下烧结70~120 min，在烧结过程中充入4.5~6.0MPa压力的氩气进行加压烧结。

将经烧结机加工好的硬质合金辊环按照下面步骤进行深冷处理制成最终产品：

（1）将WC-Fe-Ni硬质合金辊环放到深冷箱中，以20～50℃/min的冷却速度降至-80～-100℃，保温2～10小时；

（2）随后再以20～50℃/min的速度升至室温，并将WC-Fe-Ni硬质合金辊环从深冷箱中取出，完成深冷处理。

本发明最终制得的辊环具有以下技术效果：

（1）采用Fe、Ni作为该硬质合金辊环的粘结相，极大地节约稀缺而昂贵的钴资源，并且制备工艺简单，可进一步降低硬质合金辊环的生产成本；

（2）对制备的WC-Fe-Ni硬质合金辊环进行深冷处理在一定程度上改善材料组织结构和强化了粘接相，增加了辊环材料的压应力，从而使耐磨性、硬度、抗压强度、冲击韧性和抗高温氧化性等力学性能得到大幅提高；

（3）经深冷处理的WC-Fe-Ni硬质合金辊环比没经深冷处理的辊环具有更好综合性能，其性能和使用寿命与现用同类硬质合金辊环相当。

附图说明

图1是本发明实施例中深冷处理前WC-Fe-Ni硬质合金的背散射SEM微观结构图。

图2是本发明实施例中深冷处理后WC-Fe-Ni硬质合金的背散射SEM微观结构图。

图3是本发明实施例中深冷处理前WC-Fe-Ni硬质合金的XRD物相分析图谱。

图4是本发明实施例中深冷处理后WC-Fe-Ni硬质合金的XRD物相分析图谱。

图5是本发明实施例中深冷处理前WC-Fe-Ni硬质合金和工厂硬质合金辊环磨损表面SEM形貌。

图6是本发明实施例中深冷处理后WC-Fe-Ni硬质合金和工厂硬质合金辊环磨损表面SEM形貌。

图7是本发明实施例中型号为YGR55（WC-25(Co-Ni-Cr)）硬质合金辊环磨损表面SEM形貌。

图8是本发明实施例中试制新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环。

具体实施方式

本发明的一种具体实施方法为：将一定粒度的WC粉末、Fe、Ni粉按一定的比例配比，经球磨，干燥、压制，低压烧结后经机加工成形后，最后进行深冷处理，制得硬质合金辊环，具体工艺步骤如下：将75~92wt%WC粉（平均晶粒度6-15μm）、粒径为2-4μm含量为5~14wt%的羟基Fe粉，粒径为2-4μm含量为3~11 wt %的羟基Ni粉。按比例一次性混合完成，以汽油作为球磨介质，其中每公斤混合料加入200~400ml的汽油，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球，按照硬质合金球与混合料的质量比为(3~5):1，球磨转速为150~200rpm，在滚筒球磨机上球磨混料12~30h，球磨混料后，料浆在真空环境中于80~110℃下干燥4~8h。加入1.2~1.5% wt%合成橡胶做成型剂，在150~250MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯，将压坯置于排胶炉中在530~590℃下排胶60~80min，排胶过后，在在1350~1410℃下的气压烧结炉中，在4.5~6.0MP压力下烧结70~120 min。烧结后的辊环，机加工成形后，置于深冷箱中，以20～50℃/min的冷却速度降至-80～-100℃，保温2～10小时，随后再以20～50℃/min的速度升至室温，从深冷箱中取出，完成深冷处理，最终制得新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环。深冷处理前后的WC-Fe-Ni硬质合金辊环背散射SEM微观结构如图1。

本发明实施例中对深冷处理前后的WC-Fe-Ni硬质合金辊环，选择性腐蚀硬质合金中WC相，避免WC衍射峰对粘接相的干扰,然后再进行XRD物相分析,如图2，发现深冷前粘接相结构主要为面心立方相，深冷处理一段时间后，粘接相中发生马氏体相变，变为体心立方相，并且在粘接相中析出弥散分布的W。

实施例1

本发明实施例中对深冷处理前后的WC-Fe-Ni硬质合金和同类型现用牌号YGR55硬质合金辊环在MM-200型万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验，试样尺寸为20×12×8mm。采用环—块配副，对磨磨环材料选用Cr12模具钢圆环，外径尺寸为φ40mm，内径尺寸为φ16mm，宽度为10mm，其硬度为58HRC，表面粗糙度Ra=0.4μm。摩擦实验在无任何润滑剂的条件下进行，试验选择的法向载荷为50N，转速为0.42m/s，时间为120min。深冷处理前后的WC-Fe-Ni硬质合金辊环的维氏硬度、抗弯强度和耐磨性与工厂辊环（YGR55）对比见表1。图3为深冷处理前后的WC-Fe-Ni硬质合金辊环的和牌号为YGR55（WC-25(Co-Ni-Cr)）硬质合金辊环试样的摩擦磨损实验中试样磨损表面形貌，从图3可以看出未经深冷处理的试样出现严重的粘着磨损和磨粒磨损现象，经深冷处理后WC-Fe-Ni硬质合金辊环试样和工厂辊环一样出现轻微的粘接相挤出现象，说明经深冷处理的WC-Fe-Ni硬质合金辊环耐磨性得到极大提高。所制备的硬质合金经深冷处理硬度提高19.5%，耐磨性提高55.5%，抗弯强度变化不大，深冷处理后综合性能已经明显优于现用同类型牌号为YGR55（WC-25(Co-Ni-Cr)）硬质合金辊环。

实施例2

本发明制备的一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环，其尺寸规格为170.66×95×57.35mm。图4为试制的新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环。在某钢厂现场装机实验，在精轧螺纹钢中，该新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环修磨前，单槽过钢量为3500t，下线后轧槽修磨量小，没有出现裂纹，碎辊，掉肉等问题，而现用同类型牌号为YGR55（WC-25(Co-Ni-Cr)）工厂辊环单槽过钢量为3300t。开发出该新型型WC-Fe-Ni硬质合金辊环使用寿命比YGR55辊环的过钢量提高5%。目前各粉末价格大致为：WC粉末260元/千克，Fe粉30元/千克，Ni粉140元/千克，Co粉240元/千克。制备的新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环生产成本较同规格现用工厂辊环YGR55价格降低约15%。该新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环耐磨性好，使用寿命高，生产成本低，满足了钢厂对轧辊的应用要求。

Claims (4)

1.一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法，其特征在于：采用WC做硬质相，采用Fe、Ni金属做粘接相，通过粉末冶金工艺制备硬质合金辊环，并对辊环进行相应的深冷处理，强化粘接相，增加表面压应力，增加硬度、提高耐磨性和抗冲击韧性，降低辊环的生产成本，提高辊环的性能和使用寿命。

2.根据权利要求1所述的一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法，其特征在于：所述的硬质相WC( 其中WC含碳量控制在6.01~6.11wt%)含量为75~92wt%，其中硬质相WC粉的平均晶粒尺寸为6-15μm，粘结相为8~25 wt%(Fe/Ni)粉，所用粒径为2-4μm的羟基Fe粉含量为5~14wt%，粒径为2-4μm的羟基Ni粉含量为3~11 wt%，并将各组分WC、Fe、Ni 经球磨，压制，加压烧结，随后进行深冷处理，制得硬质合金辊环。

3.根据权利要求2所述的WC-Fe-Ni硬质合金辊环的制备方法，其特征在于，以汽油作为球磨介质，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球作为研磨球，球料的质量比为(3~5):1，球磨转速为150~200rpm，在滚筒球磨机上球磨混料12~30h，球磨混料后，料浆在真空环境中于80~110℃下干燥4~8h，使用1.2~1.5wt%合成橡胶做成型剂，在150~250MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯，将压制成型好的硬质合金辊环压坯置于排胶炉中在530~590℃下排胶60min~80min，排胶过后置于气压烧结炉中在1350~1410℃下烧结70~120 min，在烧结过程中充入4.5~6.0MPa压力的氩气进行加压烧结。

4.根据权利要求1和2所述的一种新型WC-Fe-Ni硬质合金辊环及其制备方法，其特征在于将制备好的硬质合金辊环，加工成形所需尺寸后，按照下面步骤进行深冷处理：

（1）将WC-Fe-Ni硬质合金辊环放到深冷箱中，以20～50℃/min的冷却速度降至-80～-100℃，保温2～10小时

（2）随后再以20～50℃/min的速度升至室温，并将WC-Fe-Ni硬质合金辊环从深冷箱中取出，完成深冷处理。