CN107641770B - 硬质合金叶片材料及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬质合金叶片材料及其制造工艺，以碳化钛与碳化铪共同作为硬质相，使钢结硬质合金硬度得到了极大的提高，同时碳纳米管的加入极大地提高了材料的强度和韧性，同时石墨（碳纳米管同时还是一种石墨）具有自润滑的作用，它可以减小材料的摩擦系数。

Description

硬质合金叶片材料及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种硬质合金叶片材料，本发明还涉及一种硬质合金叶片的制造工艺。

背景技术

抛丸技术是将来自进丸管的弹丸，经过分丸轮的初步加速，通过套在分丸轮外的定向套抛出，而后被叶片承接，沿叶片表面通过离心力继续加速，飞出抛丸器，从而实现对各种零部件表面的抛丸清理和强化。

由于抛丸清理不受被清理件大小、形状和重量的限制，而且能够提高机械产品和金属构件的抗疲劳性能，消除应力集中，应力集中的消除需要比较大的机械冲击，因此，要求冲击到零件表面的弹丸的速度非常快。另外，弹丸本身应是理想状态下的球形，但实际制作出来的弹丸难以做到理想的球形结构。并且为了节约成本，弹丸通常要回收利用，新的弹丸都要混入一定量的回收到的弹丸。通常，被回收利用的弹丸因产生了机械撞击而使其圆度变得更差，并且很大比例的回收得到的弹丸本身会存在凹坑或者破损，这些弹丸会对抛丸器产生比较大的磨损。

由于弹丸在叶片上完成最终加速，换言之，弹丸对叶片的摩擦最为剧烈，叶片是抛丸机上比较容易失效的部件。常规叶片多是铸钢件，耐磨性相对较差。

中国专利文献CN102825554A，其通过复合常规的叶片基体和钨钴类硬质硬质合金板提高叶片的耐磨性，该类叶片尽管整体上节省材料，但由于需要分别制作叶片基体和硬质合金板，然后再行焊接，一方面工艺周期长，另一方面，焊接的焊深往往比较小，并且焊缝往往在板的边缘，所产生的焊接变形可能会使得板的内部产生空隙，使用中噪音相对较大。此外，钨钴合金的一个固有缺陷是其线膨胀系数随着含钴量的增加而增大，并且与叶片基体（铸钢）的线膨胀系数相差比较大，两板料进行焊接时，会产生比较大的焊接压力，而易于产生焊接缺陷。

在一些应用中，直接以叶片基体为生长表面，采用例如真空溅镀的方式生成耐磨层，该种结构不会使叶片基体产生内部组织的变化，而不会产生如焊接那样的缺陷。但相对而言，镀层或者涂层与叶片基体的结合不如金属内部组织牢固，易于产生涂层或者镀层的脱落，使用寿命相对较短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于叶片整体成型的硬质合金叶片材料，材料本身耐磨性能比较好。本发明还提供了一种硬质合金叶片整体成型的成型工艺。

依据本发明的实施例，提供一种硬质合金叶片材料，其包括以下重量份的组分：

铁粉 100份；

碳化钛粉 60~80份；

碳纳米管 0.8~1.2份；

碳化铪粉 3~6份；

镍粉 4~20份；

铬粉 1~6份。

上述硬质合金叶片材料，可选地，还包括5~10重量份的钼粉。

可选地，还包括2~4重量份的碳化铌。

可选地，碳化钛粉的平均粒度为60~200纳米；

碳化铪粉的平均粒度为100~150纳米。

可选地，碳纳米管为单壁碳纳米管的平均粒度为0.8~2纳米。

依据本发明的实施例，还提供了一种以前述的硬质合金叶片材料为原料制造硬质合金叶片的工艺，其包括以下步骤：

（1）混料：将称量好的原料投入球磨机，然后再加入研磨介质和成型剂进行球磨；

（2）粉碎脱筛：将步骤1）球磨后的料粉碎、脱筛处理；

（3）压制：将步骤2）中得到的粉末进行单向压制，压力为400-600MPa，得到生坯；

（4）烧结：对生坯烧结，得到熟坯。

（5）后处理；对熟坯进行整形，然后淬火，冷却后再进行抛丸处理，最后在200-300℃下进行回火。

上述制造硬质合金叶片的工艺，可选地，在烧结前，先对生坯预氧化，以在生坯表面的粉末生成氧化层；

在烧结时，构造还原性气氛，将氧化层还原。

可选地，预氧化方法是：将生坯埋在氧化铝粉末中，并在空气中加热到450℃，保温30分钟。

可选地，混料时采用定量混料，从而在混料完毕后从球磨机中取料时，先将球磨机中的料倒入一容器中，然后对球磨机进行清洗，将清洗所产生的含料液体倾倒入所述容器；

在粉碎脱筛前，对盛有料的容器进行真空干燥。

可选地，烧结步骤为在热等静压烧结炉中的热等静压烧结；

其中，烧结温度为1300-1400℃，压力为30-40MPa；

升温区间在0℃~800℃时，温升为6℃/min；

800℃时，保温30min；

升温区间在800℃~目标烧结温度时，温升为3℃/min，加压，保温40min。

依据本发明的实施例，以碳化钛与碳化铪共同作为硬质相，使钢结硬质合金硬度得到了极大的提高，同时碳纳米管的加入极大地提高了材料的强度和韧性，同时石墨（碳纳米管同时还是一种石墨）具有自润滑的作用，它可以减小材料的摩擦系数。

具体实施方式

在本发明的实施例主要以提高材料的硬度、抗弯强度和冲击韧性为主要目的，为达到该目的，提供一种硬质合金叶片材料，其由下述按重量份数的各组分混合而成：

铁粉 100份；

碳化钛粉 60~80份；

碳纳米管 0.8~1.2份；

碳化铪粉 3~6份；

镍粉 5~10；

碳化铌 2~4份；

钼粉 4~20份；

铬粉 1~6份。

其中碳化钛和碳化铪共同作为硬质相，以提高所制作叶片的表面硬度；碳纳米管则主要用于提高所制作叶片的强度和韧性，并减小材料的表面摩擦系数；碳化铌则用于细化晶粒，改善所制备材料的内部组织。对于钼，则用于改善黏结相对碳化物的润湿性，降低孔隙率，使铁基硬质合金的耐磨性进一步提高。而碳化铌的加入对合金室温的性能改变不大，但是它却可以抑制烧结过程中片板状粗晶的形成，细化晶粒。

原则上，硬质合金原料各组分粒度越小，其容易获得均匀的混合相，从而在压制成生坯前，混合料各组份分散的相对均匀，使产品各向同性特征更加明显。

另外，可以理解的是，过于追求较小的粒度，会使得成本偏高，并且工艺实现上也比较困难，因此应将目标粒度控制在合适的范围内。

优化的，碳化钛粉的平均粒度为60~200纳米。

优化的，碳化铪粉的平均粒度为100~150纳米。

优化的，碳纳米管为单壁碳纳米管，其平均粒度为0.8~2纳米。

关于硬质合金件的制作，普遍采用烧结工艺进行成型，在本发明的实施例中也不例外，相对于常规的烧结工艺中普遍采用混料、将混合料填入模腔，然后进行压制烧结的步骤，本实施例对工艺进行了合理的改进，以获得性能更加良好的叶片。

以前述的硬质合金叶片材料为原料制造硬质合金叶片的工艺，其包括如下步骤：

（1）混料：将称量好的硬质合金材料各组分所形成的原料投入到球磨机中，然后加入研磨介质和成型剂进行球磨，使各组分混合均匀。

（2）取料：将步骤1）球磨好的原料盛出，投入一个给定的容器并对球磨机采用无水乙醇进行清洗，将携带有原料的清洗液一同倒入所述容器，准备干燥。

（3）干燥：对步骤2）盛有原料和清洗剂（即无水乙醇）的容器在真空度300-650kpa之间进行真空干燥。

其中，在真空条件下进行干燥，有利于使无水乙醇快速挥发，并且在真空条件下，无水乙醇的沸点会非常低，不容易产生爆燃事故。

（4）粉碎脱筛：在球磨时，硬质合金材料易于结块，并且在无水乙醇快速蒸发过程中，硬质合金材料间也易于粘接，因此需要对结块进行粉碎。

此外，球磨时会加入个体相对比较大的硬质球，通过过筛，将硬质球筛余，过筛后的粉末为期望得到的混和粉末。

在一些应用中，研磨介质可以采用无水乙醇，在干燥时就可以蒸发掉。过筛主要是将没有被粉碎的结块过滤掉。

对于成型剂，例如石蜡、聚乙二醇，均属于易挥发物质，在步骤（3）就可以完全除去。

（5）压制：将步骤（4）中得到的混合粉末进行单向压制，压力为400-600MPa，得到生坯。

（6）烧结：对生坯进行预氧化处理，处理完成后进行烧结。

发明人发现，先使生坯表面发生一定程度的氧化，然后在烧结中将氧化物还原，可以起到加快烧结速率的作用。当然这种措施必须在金属氧化物能被烧结气氛还原的前提下才能采用。

预氧化处理的方法是：将生坯埋在氧化铝粉中，并在空气中加热到450摄氏度，保温30分钟进行预氧化处理，使粉末颗粒表面获得一定厚度（厚度级别为10^-5厘米）的氧化层，在一定温度（即烧结温度）、氢气氛内烧结。如果采用反复氧化还原，则可获得表层原子十分活泼的生坯，显著增加表面扩散系数，结果加快烧结颈的形成和长大速率。

烧结后制作出工件坯件，然后冷却到室温。

（7）后处理；将步骤6）中冷却的工件坯件进行修边，去毛刺，精整，然后在1000-1200℃进行淬火，然后对工件进行抛丸处理，最后在200-300℃下进行回火；

（8）对产品进行性能测试。

球磨时，球磨机的转速为1000r/min，球料比为5：1，球磨时间为8~10小时。

进一步的，上述步骤（4）中脱筛中筛子的筛目为100-150目。

进一步的，上述步骤（6）中烧结方式为热等静压烧结，烧结温度为1300~1400℃，压力为30-40MPa。

其中，烧结升温阶段采用有控制的升温，若升温的当前温度位于0~800℃时，温升为6℃/min；当前温度达到800℃时，保温30min；保温后继续升温，直至达到目标烧结温度，该升温阶段的温升为3℃/min；然后加压，保温40min。

基于前述的描述可知，采用湿法混料，并且在真空氛围中进行干燥，减少了与氧气接触的机会，保证了材料的纯洁性；烧结之前进行了预氧化处理，使工件的密度、延性及抗压强度都大为提高；对烧结出的材料进行了表面淬火极大的提高了工件的硬度；对工件进行抛丸处理使工件表面产生加工硬化，硬度快速提高；最后对工件进行低温回火消除了工件的残余应力，均匀组织。

实施例1（以下均使用重量份）：

铁粉100份，碳化钛粉80份，碳纳米管0.8份，碳化铪粉3份，镍粉8份，碳化铌4份，钼粉10份，铬粉4份。

按上述工艺制作叶片。

实施例2：

铁粉100份，碳化钛粉80份，碳纳米管1份，碳化铪粉3份，镍粉8份，碳化铌4份，钼粉10份，铬粉4份。

按上述工艺制作叶片。

实施例3

铁粉100份，碳化钛粉80份，碳纳米管1.2份，碳化铪粉3份，镍粉8份，碳化铌4份，钼粉10份，铬粉4份。

按上述工艺制作叶片。

实施例4

铁粉100份，碳化钛粉80份，碳纳米管1份，碳化铪粉4份，镍粉8份，碳化铌4份，钼粉10份，铬粉4份。

按上述工艺制作叶片。

实施例5

铁粉100份，碳化钛粉80份，碳纳米管1份，碳化铪粉5份，镍粉8份，碳化铌4份，钼粉10份，铬粉4份。

按上述工艺制作叶片。

实施例6

铁粉100份，碳化钛粉80份，碳纳米管1份，碳化铪粉6份，镍粉8份，碳化铌4份，钼粉10份，铬粉4份。

按上述工艺制作叶片。

实施例7

与实施例4相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（1），本实施例采用干法混料。

实施例8

与实施例4相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤（7）中，本实施例不抛丸。

表1为对实施例1~8所制作的叶片的密度、硬度、抗弯强度和冲击韧性实验数据。

表1

由表1可以看出，随着碳纳米管的加入，增加了材料的硬度、抗弯强度以及冲击韧性，当基体材料和碳纳米管的比达到100：1时，效果达到最佳，超过这个量，相应的力学性能反而下降；而碳化铪的加入使材料密度增加，硬度增加，故耐磨性得到改善，但使抗弯强度和冲击韧性相应的下降。从实施例7可以看出，干法混料相较于湿法混料，在各项力学性能上均有所下降，证明湿法混料可以有效改善材料各项力学性能。从实施例8可以看出，相较于抛丸处理，未抛丸处理的工件在各项力学性能上均有所下降，证明抛丸处理可以有效改善材料各项力学性能。

Claims (8)

1.一种硬质合金叶片材料，其特征在于，其由以下重量份的组分制备：

铁粉 100份；

碳化钛粉 60~80份；

碳纳米管 0.8~1.2份；

碳化铪粉 3~6份；

镍粉 4~20份；

铬粉 1~6份；

钼粉 5~10份

碳化铌 2~4份。

2.根据权利要求1所述的硬质合金叶片材料，其特征在于，碳化钛粉的平均粒度为60~200纳米；

碳化铪粉的平均粒度为100~150纳米。

3.根据权利要求1所述的硬质合金叶片材料，其特征在于，碳纳米管为单壁碳纳米管的平均粒度为0.8~2纳米。

4.一种以权利要求1~3任一所述的硬质合金叶片材料为原料制造硬质合金叶片的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）混料：将称量好的原料投入球磨机，然后再加入研磨介质和成型剂进行球磨；

（2）粉碎脱筛：将步骤1）球磨后的料粉碎、脱筛处理；

（3）压制：将步骤2）中得到的粉末进行单向压制，压力为400-600MPa，得到生坯；

（4）烧结：对生坯烧结，得到熟坯。

（5）后处理；对熟坯进行整形，然后淬火，冷却后再进行抛丸处理，最后在200-300℃下进行回火。

5.根据权利要求4所述的制造硬质合金叶片的工艺，其特征在于，在烧结前，先对生坯预氧化，以在生坯表面的粉末生成氧化层；

在烧结时，构造还原性气氛，将氧化层还原。

6.根据权利要求5所述的制造硬质合金叶片的工艺，其特征在于，预氧化方法是：将生坯埋在氧化铝粉末中，并在空气中加热到450℃，保温30分钟。

7.根据权利要求4所述的制造硬质合金叶片的工艺，其特征在于，混料时采用定量混料，从而在混料完毕后从球磨机中取料时，先将球磨机中的料倒入一容器中，然后对球磨机进行清洗，将清洗所产生的含料液体倾倒入所述容器；

在粉碎脱筛前，对盛有料的容器进行真空干燥。

8.根据权利要求4所述的制造硬质合金叶片的工艺，其特征在于，烧结步骤为在热等静压烧结炉中的热等静压烧结；

其中，烧结温度为1300-1400℃，压力为30-40MPa；

升温区间在0℃~800℃时，温升为6℃/min；

800℃时，保温30min；

升温区间在800℃~目标烧结温度时，温升为3℃/min，加压，保温40min。