CN105970064A - 一种钢结硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由10～50%的TiC硬质相和Fe‑Cr‑Mo‑Al‑C粘结相组成的钢结硬质合金，粘结相中各元素占比分别为：C 0.25～0.69%，Cr 0.5～4.5%，Mo 0.5～4.5%，Al 0.25～3.6%，余量为Fe；其制备包括：配料，选取占原料粉末总重10～50%的TiC粉末，余量为C粉、Mo粉、Fe2Al5预合金粉末、Cr‑Fe粉末（其中Cr含量为50～55%）和Fe粉；以下元素分别占原料粉末总重：C 0.25～0.69，Cr 0.5～4.5，Mo 0.5～4.5，Al 0.25～3.6%，余量为Fe；将上述原料粉末湿磨混合、喷雾干燥、压制成型；经1415～1435℃真空液相烧结获得粘结相占总重50%～90%的钢结硬质合金，硬度及断裂韧性都具有改善，主要用于耐磨产品。

Description

一种钢结硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钢结硬质合金材料及其制备方法，特别是一种通过粉末冶金技术制备以TiC为硬质相、以Fe基体粘结相的钢结硬质合金及其制备方法，其主要用于工模具耐磨件产品上。
背景技术
钢结硬质合金是在硬质合金的基础上发展起来的新型工模具材料。相比硬质合金中的钴粘结相来说，它是一种以钢作粘结相的耐磨合金。因其具有硬质合金的高硬度、高耐磨性和高强度，同时具有钢的可加工性、可热处理性、可锻性和可焊接性，被认为是可加工、可热处理的硬质合金，广泛地应用于耐磨零件、矿山工具等材料中。钢结硬质合金中最典型材料是以TiC作为硬质相的TiC基钢结硬质合金，因TiC具有高硬度、抗氧化、耐腐蚀、比重小、热稳定性好以及优异的物理化学性能，一直是钢结硬质合金中性价比较高的一种钢结硬质合金。
TiC基钢结硬质合金是采用粉末冶金的方法制备的一种复合材料。硬质相TiC主要赋予材料高硬度和高耐磨性；而钢粘结相的含量一般大于50wt％，对材料的性能影响更大，同时，钢粘结相可以赋予合金一系列独特性能，其成分可根据具体使用工况和使用性能要求进行灵活的调整，有利于满足合金使用要求。根据钢粘结相的成分的不同，可以延伸出大量的合金牌号，如碳钢、工具钢、不锈钢、耐热钢基粘结相。
目前TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金是一种以中合金工具钢为粘结相的钢结硬质合金，如GT35牌号，其具有较高的耐磨性，被广泛地应用于耐磨零件上。随着特殊行业对零部件性能的要求的多样化，如应用于注塑机套筒和螺杆(注塑机的关键部件)上，不仅需要好的耐磨性，还需要合金具有较好的抗腐蚀性能、韧性等性能。而普通的钢结硬质合金牌号很难很好地满足使用要求。为了改善这类合金的这些性能而获得高硬度和高强度的TiC系钢结硬质合金，现有技术方案主要是通过调整主成分的比例、微量合金元素的加量和加入方式以及改善烧结接触材料来达到。如中国专利“一种TiC系钢结硬质合金”(公开号CN104498801A公开日2015年4月8日)公开了一种TiC系钢结硬质合金，在确保高硬度、高耐磨性的同时，抗弯强度高，耐腐蚀好，不易生锈。又如中国授权专利“TiC系钢结硬质合金及其制备方法”(授权号CN 102230119 B公开日2012年12月26日)公开了一种TiC系钢结硬质合金及其制备方法提供耐磨性高、变形小的TiC系钢结硬质合金及其制备方法，扩大该类合金的应用领域，并进一步降低孔隙度，提高其综合性能。
对于硬质材料来说，硬度和断裂韧性是一对矛盾体，改善硬度往往需要牺牲一定的断裂韧性，反之亦然。为了改善TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金的性能，以上专利的方法都是通过调整合金中Cr、Mo等元素的含量和加入方式；或者添加改善铁对TiC润湿性的元素，如稀土，来改善TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金的致密度来达到提高合金的性能的目的。总的来说，这些措施往往很难同时提高TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金的硬度和断裂韧性，或者提高幅度很有限。
发明内容
本发明针对现有TiC基钢结硬质合金模具的性能的不足，提供了一种以TiC为硬质相、Fe-Cr-Mo-Al-C为基体粘结相的钢结硬质合金及其制备方法，其中Al是采用Fe-Al的中间化合物Fe2Al5预合金粉末的形式添加,该合金在硬度及断裂韧性方面都具有改善。其主要用于工模具耐磨件产品上。
本发明的一种钢结硬质合金，由硬质相和粘结相组成，硬质相为TiC，占钢结硬质合金总重的10～50％；所述粘结相为C、Cr、Mo、Al与Fe的组合，C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.25～0.69％，Cr:0.5～4.5％，Mo：0.5～4.5％，Al：0.25～3.6％；余量为Fe。
其制备方法依次包括以下步骤：
(1)配料，选取形成硬质相的、占总原料粉末总重的10～50％的TiC粉末，余量由C粉、Mo粉、Fe2Al5预合金粉末、Cr-Fe粉末和Fe粉组成粘结相原料粉末；所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50～55％；所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.25～0.69％，Cr:0.5～4.5％，Mo：0.5～4.5％，Al：0.25～3.6％；余量为Fe；
(2)将上述形成硬质相与形成粘结相的原料粉末湿磨混合、喷雾干燥、压制成型形成压坯；
(3)然后压坯经1415℃～1435℃真空液相烧结后，获得一种钢结硬质合金，其中粘结相占钢结硬质合金总重的重量百分比为50％～90％。
作为改进一，当硬质相TiC占钢结硬质合金总重的50％；所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.25～0.385％，Cr:0.5～2.5％，Mo：0.5～2.5％，Al：0.25～2.0％；余量为Fe。
相应地，其制备方法中，配料时TiC粉末占总原料粉末总重为50％，Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50～55％；粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.25～0.385％，Cr:0.5～2.5％，Mo：0.5～2.5％，Al：0.25～2.0％；余量为Fe；烧结温度为1425～1435℃；获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为50％。
作为改进二，当硬质相TiC占钢结硬质合金总重的30％；C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.35～0.441％，Cr:0.7～3.5％，Mo：0.7～3.5％，Al：0.35～2.8％；余量为Fe。
相应地，其制备方法中，配料时TiC粉末占总原料粉末总重为30％，Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为53～55％；粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.35～0.441％，Cr:0.7～3.5％，Mo：0.7～3.5％，Al：0.35～2.8％；余量为Fe；烧结温度为1420～1430℃；获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为70％。
作为改进三，当硬质相TiC占钢结硬质合金总重的10％；所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.45～0.693％，Cr:0.9～4.5％，Mo：0.9～4.5％，Al：0.45～3.6％；余量为Fe。
相应地，其制备方法中，配料时TiC粉末占总原料粉末总重为10％，Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50～54.9％；粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.45～0.693％，Cr:0.9～4.5％，Mo：0.9～4.5％，Al：0.45～3.6％；余量为Fe；烧结温度为1410～1425℃；获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为90％。
本发明的特征是采用粉末冶金制造，形成了Fe-Cr-Mo-Al-C的粘结相成分，粘结相中的Al采用Fe-Al的中间化合物Fe2Al5预合金粉末的形式添加，避免了Al与Fe发生剧烈化合放热反应及柯肯达尔效应引起的膨胀，从能谱分析结果，可知Al都固溶在粘结相中，Al的添加有效地改善了合金的硬度和韧性，较现有材质(TiC-Fe-Cr-Mo-C)的断裂韧性和硬度都得到提高。
附图说明
图1是本发明的制备方法流程图；
图2a是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的显微组织；
图2b是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的粘结相能谱照片；
图3a是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的断裂韧性与现有材质对比图；
图3b是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的硬度与现有材质对比图。
具体实施方式
实施例1：根据图1所示流程，按照混合原料粉末的重量百分比，将50％TiC、0.25％C粉、0.91％Cr-Fe粉末(折合0.5％Cr)、0.5％Mo粉、0.46％Fe2Al5粉(折合0.25％Al)、及余量的Fe粉，混合湿磨，湿磨混合料经喷雾干燥、压制成型，然后压坯经1435℃真空液相烧结后获得TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金，其中粘结相重量百分比为50％。其具体制备参数见表1，其显微组织、粘结相能谱照片、断裂韧性、硬度分别见图2a、图2b、图3a、图3b。
实施例2：根据图1所示流程，按照混合原料粉末的重量百分比，将50％TiC、0.315％C粉、2.83％Cr-Fe粉末(折合1.5％Cr)、1.5％Mo粉、2.06％Fe2Al5粉(折合1.13％Al)、及余量的Fe粉，混合湿磨，湿磨混合料经喷雾干燥、压制成型，然后压坯经1430℃真空液相烧结后获得TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金，其中粘结相重量百分比为50％。其具体制备参数见表1，其显微组织、粘结相能谱照片、断裂韧性、硬度分别见图2a、图2b、图3a、图3b。
本发明的实施例3～9的制备工艺流程如图1所示，其具体工艺参数详见表1，与现有技术方案相比，本申请的方案制备的钢结硬质合金的硬度和断裂韧性明显提高(淬火+回火态)。
表1本发明的制备参数表
虽然说明书已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种钢结硬质合金，由硬质相和粘结相组成，硬质相为TiC，占钢结硬质合金总重的10～50％；所述粘结相为C、Cr、Mo、Al与Fe的组合，C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.25～0.69％，Cr:0.5～4.5％，Mo：0.5～4.5％，Al：0.25～3.6％；余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的钢结硬质合金，其特征在于：所述硬质相TiC占钢结硬质合金总重的50％；所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.25～0.385％，Cr:0.5～2.5％，Mo：0.5～2.5％，Al：0.25～2.0％；余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的钢结硬质合金，其特征在于：所述硬质相TiC占钢结硬质合金总重的30％；所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.35～0.441％，Cr:0.7～3.5％，Mo：0.7～3.5％，Al：0.35～2.8％；余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的钢结硬质合金，其特征在于：所述硬质相TiC占钢结硬质合金总重的10％；所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C：0.45～0.693％，Cr:0.9～4.5％，Mo：0.9～4.5％，Al：0.45～3.6％；余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的钢结硬质合金的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)配料：选取形成硬质相的、占总原料粉末总重的10～50％的TiC粉末，余量由C粉、Mo粉、Fe2Al5预合金粉末、Cr-Fe粉末和Fe粉组成粘结相原料粉末；所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50～55％；所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.25～0.69％，Cr:0.5～4.5％，Mo：0.5～4.5％，Al：0.25～3.6％；余量为Fe；
(2)将上述形成硬质相与形成粘结相的原料粉末湿磨混合、喷雾干燥、压制成型形成压坯；
(3)然后压坯经1415℃～1435℃真空液相烧结后，获得一种钢结硬质合金，其中粘结相占钢结硬质合金总重的重量百分比为50％～90％。
6.根据权利要求5所述的钢结硬质合金的制备方法，其特征在于：所述配料中TiC粉末占总原料粉末总重为50％，所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50～55％；所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.25～0.385％，Cr:0.5～2.5％，Mo：0.5～2.5％，Al：0.25～2.0％；余量为Fe；所述烧结温度为1425～1435℃；获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为50％。
7.根据权利要求5所述的钢结硬质合金的制备方法，其特征在于：所述配料中TiC粉末占总原料粉末总重为30％，所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为53～55％；所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.35～0.441％，Cr:0.7～3.5％，Mo：0.7～3.5％，Al：0.35～2.8％；余量为Fe；所述烧结温度为1420～1430℃；获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为70％。
8.根据权利要求5所述的钢结硬质合金的制备方法，其特征在于：所述配料中TiC粉末占总原料粉末总重为10％，所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50～54.9％；所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C：0.45～0.693％，Cr:0.9～4.5％，Mo：0.9～4.5％，Al：0.45～3.6％；余量为Fe；所述烧结温度为1410～1425℃；获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为90％。
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