CN106521363A - 一种改性硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性硬质合金及其制备方法，改性硬质合金的各化学成分按重量百分比为：C 1.0～3.0％、Si 0.2～0.8％、Ti 0.2～2.0％、Mn 0.4～1.2％、V 0.1～0.2％、N 0.1～0.2％、Cr 1.5～3.0％、Ni 1.5～5.0％、Mo 0.2～2.0％、Ru 0.02～0.03％、S≤0.06％、P≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质；制备方法包括使用石墨烯等原料粉末经过分散、混合、熔融、球磨、造粒后再烧结等步骤制备而成。本发明提供一种改性硬质合金及其制备方法，能够使得硬质合金具有较高的硬度同时简化工艺流程，降低能耗，提高效率。

Description

一种改性硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料，具体涉及一种具有高硬度的改性硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钴具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求不断加大。并且未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及核能源的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金产品的需求。
现有技术中制备的硬质合金主要以粉末冶金方法为主，将碳化物与金属粘结剂混合压制成型，经过烧结成致密合金，因此工业原料大量使用碳化物，是一种耗时耗能的制备方法。
申请号为201210471436.X公开了一种改性硬质合金，由以下重量份的组分制备完成：石墨烯：0.1～0.8份，碳粉：0.2～0.5份，Si：0.1～0.3份，Ti：0.1～0.8份，P：0～0.01份，Cr：1～2份，Ni：3～8份，Mo：0.5～2份，Fe：100～200份。制备方法包括以下步骤：将石墨烯均匀分散与有机溶剂中形成分散液，再与其它原料粉末混合形成硬质合金原料，将该混合料进行熔融，冷却为铸锭后，研磨为细粉，干燥、造粒，再次熔融，得到所需产品。此制备方法采用粉末直接烧制成型，能够缩短工艺流程，降低能耗，提高效率，但产品硬度会受到一定的影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中硬质合金在使用粉末生产的导致硬质合金硬度不高的技术问题，提供一种改性硬质合金及其制备方法，能够使得硬质合金具有较高的硬度同时简化工艺流程，降低能耗，提高效率。
本发明提供一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C1.0～3.0％、Si0.2～0.8％、Ti 0.2～2.0％、Mn 0.4～1.2％、V 0.1～0.2％、N 0.1～0.2％、Cr 1.5～3.0％、Ni 1.5～5.0％、Mo 0.2～2.0％、Ru 0.02～0.03％、S≤0.06％、P≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。
C：碳在硬质合金中是影响硬度、耐磨性能和硬度的关键因素。随着含碳量的增加，合金组织中碳化物数量增加，硬度提高，韧性降低，尤其碳化物呈网状分布时，冲击韧性降低更为严重。
Cr：铬是碳化物形成元素，反石墨化效果十分明显，含铬碳化物稳定性好，可保证硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，但铬含量过高会增加熔炼难度，同时增加成本，且脆性增加。
Mn：锰是碳化物形成元素，能够减少杂质硫的有害作用，溶于铁素体重可以提高强度和硬度。
Si：硅是促进石墨化的元素，能够影响碳化物的稳定性，加入适量的硅，有固溶强化作用；但硅含量过高时，会是碳化物随着热处理而转变成石墨，从而降低硬质合金的硬度和耐磨性。
Ti：钛的主要作用是强化基体细化组织，对提高合金的抗磨性和韧性起积极作用，同时具有良好的脱氧作用，对改善铸态碳化物形态有着重要的有益作用。
Ni：镍不形成任何形式的碳化物，无限固溶于奥氏体中，扩大奥氏体相区，降低临界转变速度，是稳定奥氏体的主要合金元素，可以抑制珠光体的形成。
Mo：钼能够提高硬质合金的硬度和抗腐蚀性，同时能够提高硬质合金的热稳定性。
Ru：稀土元素作为变质剂对铁水进行变质处理，可以细化晶粒，减少碳化物在晶置上的分布，使之由连续网状分布变为孤立的条状分布，从而使冲击韧性提高。
本发明所述的一种改性硬质合金，作为优选方式，各化学成分按重量百分比为：C1.5～2.5％、Si 0.3～0.6％、Ti 0.5～1.2％、Mn 0.4～0.8％、V 0.1～0.2％、N 0.1～0.2％、Cr 2.0～3.0％、Ni 2.0～5.0％、Mo 0.8～1.5％、Ru 0.02～0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述的一种改性硬质合金，作为优选方式，各化学成分按重量百分比为：C2.5％、Si 0.5％、Ti 0.8％、Mn 0.8％、V 0.2％、N 0.2％、Cr 2.2％、Ni 4.0％、Mo 1.5％、Ru 0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述的一种改性硬质合金，作为优选方式，各化学成分按重量百分比为：C1.2％、Si 0.8％、Ti 1.5％、Mn 1.2％、V 0.1％、N 0.1％、Cr 3.0％、Ni 2.0％、Mo 1.2％、Ru 0.02％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供一种改性硬质合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、将石墨烯均匀分散在无水乙醇中；
S2、将原料粉末与分散后的石墨烯进行混合；
S3、将步骤S2混合均匀的原料熔融，冷却后形成铸锭；
S4、将步骤S3形成的铸锭粉碎后通过球磨机进行研磨，球磨机的转速为45～50r/min，球磨时间为36～45h；
S5、将研磨后的粉料干燥后加入硬质合金成模剂SD2.5％进行造粒；
S6、将步骤S5制得的粒料加热至1300～1380℃，保温1～1.5h，之后通入氩气迅速冷却至800℃，然后随炉冷却至室温，脱模。
本发明所述的一种改性硬质合金的制备方法，作为优选方式，步骤S2中原料粉末包括钛铁粉末、锰铁粉末、镍铁粉末、钼铁粉末、钌粉末和铸铁粉末。
石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，具有较大的表面积，能够通过简单的物理吸附即可包裹在原料粉末表面。为后续球磨过程中实现与金属粉末的良好复合与嵌入，能够在烧结过程中实现组织均匀，降低烧结缺陷；石墨烯在烧结过程中迅速被还原，并与基体发生反应，调节硬质合金中的碳含量，由于其比传统石墨粉具有更高的活性，能够使硬质合金基体碳元素分布均匀，改善组织的均一性。
本发明提供的一种改性合金具有较高的硬度，提供的制备方法能够有效的简化工艺流程，降低能耗，提高效率。
具体实施方式
实施例1
一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C 2.5％、Si 0.5％、Ti 0.8％、Mn 0.8％、V 0.2％、N 0.2％、Cr 2.2％、Ni 4.0％、Mo 1.5％、Ru 0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C 1.2％、Si 0.8％、Ti 1.5％、Mn 1.2％、V 0.1％、N 0.1％、Cr 3.0％、Ni 2.0％、Mo 1.2％、Ru 0.02％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。实施例3
实施例3
一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C 1.5％、Si 0.3％、Ti 0.5％、Mn 0.8％、V 0.2％、N 0.1％、Cr 2.0％、Ni 2.0％、Mo 0.8％、Ru 0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C 2.5％、Si 0.6％、Ti 1.2％、Mn 0.4％、V 0.1％、N 0.2％、Cr 3.0％、Ni 5.0％、Mo 1.5％、Ru 0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例5
一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C 1.0％、Si 0.8％、Ti 2.0％、Mn 1.2％、V 0.2％、N 0.2％、Cr 1.5％、Ni 5.0％、Mo 2.0％、Ru 0.02％、S≤0.06％、P≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例6
一种改性硬质合金，各化学成分按重量百分比为：C 3.0％、Si 0.2％、Ti 0.2％、Mn 0.4％、V 0.1％、N 0.1％、Cr 3.0％、Ni 5.0％、Mo 0.2％、Ru 0.03％、S≤0.06％、P≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例1～6所述的一种改性硬质合金的制备方法如下：
S1、将石墨烯均匀分散在无水乙醇中；
S2、将钛铁粉末、锰铁粉末、镍铁粉末、钼铁粉末、钌粉末和铸铁粉末与分散后的石墨烯进行混合；
S3、将步骤S2混合均匀的原料熔融，冷却后形成铸锭；
S4、将步骤S3形成的铸锭粉碎后通过球磨机进行研磨，球磨机的转速为45～50r/min，球磨时间为36～45h；
S5、将研磨后的粉料干燥后加入硬质合金成模剂SD2.5％进行造粒；
S6、将步骤S5制得的粒料加热至1300～1380℃，保温1～1.5h，之后通入氩气迅速冷却至800℃，然后随炉冷却至室温，脱模。
实施例1～6制得的改性硬质合金力学性能如表1所示。
表1实施例1～6硬质合金力学性能
样品 弯曲强度(GPa) 硬度(HRA)
YG8硬质合金 1.79 89.2
实施例1 2.22 92.0
实施例2 2.15 91.5
实施例3 2.01 90.5
实施例4 1.98 90.6
实施例5 1.85 89.8
实施例6 1.86 89.4
由表1可以看出，由本发明制得的硬质合金具有更高的弯曲强度和硬度。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效，都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改性硬质合金，其特征在于：各化学成分按重量百分比为：C1.0～3.0％、Si0.2～0.8％、Ti0.2～2.0％、Mn0.4～1.2％、V0.1～0.2％、N0.1～0.2％、Cr1.5～3.0％、Ni1.5～5.0％、Mo0.2～2.0％、Ru0.02～0.03％、S≤0.06％、P≤0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种改性硬质合金，其特征在于：各化学成分按重量百分比为：C1.5～2.5％、Si0.3～0.6％、Ti0.5～1.2％、Mn0.4～0.8％、V0.1～0.2％、N0.1～0.2％、Cr2.0～3.0％、Ni2.0～5.0％、Mo0.8～1.5％、Ru0.02～0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种改性硬质合金，其特征在于：各化学成分按重量百分比为：C2.5％、Si0.5％、Ti0.8％、Mn0.8％、V0.2％、N0.2％、Cr2.2％、Ni4.0％、Mo1.5％、Ru0.03％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种改性硬质合金，其特征在于：各化学成分按重量百分比为：C1.2％、Si0.8％、Ti1.5％、Mn1.2％、V0.1％、N0.1％、Cr3.0％、Ni2.0％、Mo1.2％、Ru0.02％、S≤0.05％、P≤0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种改性硬质合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将石墨烯均匀分散在无水乙醇中；
S2、将原料粉末与分散后的石墨烯进行混合；
S3、将步骤S2混合均匀的原料熔融，冷却后形成铸锭；
S4、将步骤S3形成的铸锭粉碎后通过球磨机进行研磨，球磨机的转速为45～50r/min，球磨时间为36～45h；
S5、将研磨后的粉料干燥后加入硬质合金成模剂SD2.5％进行造粒；
S6、将步骤S5制得的粒料加热至1300～1380℃，保温1～1.5h，之后通入氩气迅速冷却至800℃，然后随炉冷却至室温，脱模。
6.根据权利要求5所述的一种改性硬质合金的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述的原料粉末包括钛铁粉末、锰铁粉末、镍铁粉末、钼铁粉末、钌粉末和铸铁粉末。
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