CN108441736A - 粉末冶金材料及镶嵌叶片制备方法 - Google Patents

粉末冶金材料及镶嵌叶片制备方法 Download PDF

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王高琦
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夏佃秀
张晓东
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Abstract

本发明公开了一种粉末冶金材料及镶嵌叶片制备方法，选择合适的球磨时间，使混合粉末混合更加均匀，有利于提高后期冷压和热压后复合材料的力学性能。以碳化钨为基体，碳化铪按照一定的配比均匀分散在基体中，在此配比下两者有机的结合，碳化铪的加入极大限度的阻碍了晶粒长大，使晶体组织细化，且降低了粘结剂钴的润湿角，改善了钴的流动性，从而改善了试样的烧结质量。

Description

粉末冶金材料及镶嵌叶片制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于抛丸机叶片加强的粉末冶金材料，本发明还涉及一种粉末冶金材料镶嵌叶片的制备方法。
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。
由于弹丸是被逐渐加速的，弹丸在叶片表面的末端，速度最高可达69米/秒，弹丸与叶片间产生剧烈的摩擦，因此，抛丸器中摩擦最为剧烈的部位是叶片。
现在市面上最常用的叶片通常采用高铬铸铁整体铸造，相较于传统的铸铁叶片，寿命有了一定改善，但仍然满足不了市场对叶片寿命的要求。
碳化钨是一种由钨和碳组成的化合物，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，耐磨性极佳，但由于碳化钨脆性大，易开裂和韧性低等原因，故需要在碳化钨中加入粘结剂改善材料韧性。但粘结剂的加入在提高材料韧性的同时会降低材料硬度，因此粘结剂的加入要适量。细化晶粒可以在改善碳化钨韧性的同时，提高材料硬度，因此加入过渡金属添加物或稀土元素来达到细化晶粒的目的一直是硬质合金粉末冶金的一个热点。此外，材料本身之外，影响材料性能的是其制备工艺，制备工艺调整不当，一方面可能会产生废品，另一方面可能性能指标达不到设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力学性能优异的粉末冶金材料，为保证该粉末冶金材料的力学性能，提供一种该粉末冶金材料及其制备方法的制备方法。
依据本发明的实施例，提供一种粉末冶金材料，按照以下重量份数的原料制成：
碳化钨粉 200份
碳化铪粉 5份
碳化钽粉 1份
钴粉 20份。
上述粉末冶金材料，可选地，碳化钨粉的平均粒度为120-180纳米；碳化铪粉的平均粒度为60-80纳米；碳化钽粉的平均粒度为80-120纳米；钴粉平均粒度为50-80纳米。
依据本发明的实施例，提供一种以前述的粉末冶金材料制备镶嵌叶片的方法，包括以下步骤：
1）球磨混料：将磨球加入球磨罐，然后将部分碳化钨粉和全部的其他组分加入到球磨罐，再把剩余的碳化钨粉装入球磨罐，再加入球磨液体介质后开始球磨，球磨时间为4~8小时，形成混料；
2）干燥：将混料从球磨罐中取出后，分离出磨球，余下混合料，然后对混合料进行干燥；
3）粉碎：将干燥后的混合料进行粉碎，获得粒度为200~400目的碳化钨基混合粉末；
4）冷压成型：将碳化钨基混合粉末填入给定的叶片模具，模压成型，获得叶片坯件；
5）烧结：将叶片坯件烧结。
上述方法，可选地，步骤1）中球磨时，采用间歇式球磨。
可选地，间歇式球磨时，球磨罐工作与静止的时间比为9:1，间歇的次数不少于6次，且不多于8次。
可选地，球磨完毕后，球磨罐需静置，静置时间不少于1小时。
可选地，从球磨罐中取出混料的步骤是：
首先将球磨罐内的液体介质倒入第一容器，然后将混料过筛后得到的混合料倒入第二容器，其中过筛是把磨球筛余；
使用第一容器内液体介质清洗球磨罐，然后全部倒入第二容器；
干燥时，对第二容器内的料进行干燥。
可选地，干燥时在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度控制在70~90摄氏度，真空度为800~650Pa，干燥后，料在干燥箱内随干燥箱冷却至室温。
可选地，模压成型采用单向压制，压力为1.8t/cm2，压制速度为3mm/min。
可选地，步骤5）烧结步骤为：将压制成形的试样在真空条件下在热压烧结炉进行烧结，以10摄氏度每分钟的升温速率将温度升至800摄氏度，保温40min，然后以6摄氏度每分钟的速率升温至1100摄氏度，保温30min，再以4摄氏度每分钟的升温速率升温至1380摄氏度，进行加压，压力为30MPa，时间为1小时，最后随炉冷却到室温；整个烧结过程中，始终保持真空度为0.05-0.15Pa。
依据本发明的实施例，选择合适的球磨时间，使混合粉末混合更加均匀，有利于提高后期冷压和热压后复合材料的力学性能。以碳化钨为基体，碳化铪按照一定的配比均匀分散在基体中，在此配比下两者有机的结合，碳化铪的加入极大限度的阻碍了晶粒长大，使晶体组织细化，且降低了粘结剂钴的润湿角，改善了钴的流动性，从而改善了试样的烧结质量，同时又不会使材料因碳化铪的过量加入使强度降低，大大增加了材料的强度，并辅以钴粉、碳化钽粉，经过球磨混料、取料及干燥、压碎脱筛、冷压成形、热压烧结后得到一块镶嵌材料，镶嵌在抛丸器叶片本体上，提高了抛丸器叶片硬度、耐磨性、耐冲击性能并提高了生产效率。
附图说明
图1为混合粉末球磨2h的SEM图。
图2为混合粉末球磨6h的SEM图。
图3为混合粉末球磨10h的SEM图。
图4为本发明实施例中显微硬度图。
图5为本发明实施例中抗弯强度图。
图6为本发明实施例中断裂韧性图。
图7为一种镶嵌叶片结构示意图。
具体实施方式
关于粉末冶金材料，在本发明中，采用该粉末冶金材料主要用于制备叶片镶嵌材料，获得如图7所示的镶嵌叶片，可以镶嵌在抛丸器叶片的工作面，以提高叶片的使用寿命。
关于用作抛丸器叶片镶嵌材料的粉末冶金材料按照以下重量份数的原料制成：
碳化钨粉 200份
碳化铪粉 5份
碳化钽粉 1份
钴粉 20份。
关于上述的四个组分，均采用纳米级材料，相应地，碳化钨粉的平均粒度为120-180纳米；碳化铪粉的平均粒度为60-80纳米；碳化钽粉的平均粒度为80-120纳米；钴粉平均粒度为50-80纳米。纳米级材料有助于粉末冶金材料晶粒组织的细化。
以上述组分为原料制备叶片镶嵌件的制备方法，提供以下实施例：
实施例1：
1）球磨混料：将磨球加入球磨罐，其中的磨球采用碳化钨研磨球。然后将部分碳化钨粉和全部的其他组分加入到球磨罐，再把剩余的碳化钨粉装入球磨罐，再加入球磨液体介质后开始球磨，球磨时间为6小时，形成混料。
其中，先前加入的碳化钨粉和剩余的碳化钨粉的比例为1:1，球磨液体介质采用无水乙醇，加入无水乙醇的量以淹没球料2厘米为宜。
球磨时的球料比为5:1，球磨机转速为500转每分钟。
球磨时采用间歇式球磨，球磨机转动与静止的时间比为9:1，球磨完毕后，静置球磨罐1小时。
2）干燥：球磨罐达到静置时间后，先将球磨罐中的无水乙醇倒入第一容器，将磨球以及球磨料在筛网的过滤下倒入第二容器，分离磨球与球磨料；然后将第一容器内的无水乙醇倒入球磨罐，盖好盖，对球磨罐进行清洗，然后将球磨罐内的物质沿第二容器的壁慢慢倒入第二容器；将第二容器放入真空干燥箱内进行干燥，干燥温度为70~90摄氏度，干燥时间为1小时，真空干燥箱内的真空度为800-650Pa，将干燥后的球磨料在真空干燥箱内冷却至室温。
3）粉碎：将干燥后冷却至室温的块状的球磨料进行粉碎，然后用200~400目筛，筛完后放置30分钟，得到碳化钨基混合粉末。
4）冷压成型：将混合粉末装到给定的叶片成型模具，进行单向压制，压力为1.8t/ cm 2 ，压制速度为3mm/min，形成镶嵌叶片坯件。
5）热压烧结：将压制成形的镶嵌叶片坯件放入石墨模具中在真空热压烧结炉进行烧结，以10摄氏度每分钟将温度升至800摄氏度，保温40min，然后以6摄氏度每分钟的速率升温至1100摄氏度，保温30min，再以4摄氏度每分钟升温至1380摄氏度，进行加压，压力为30MPa，时间为1小时，最后随炉冷却到室温。整个烧结过程中，始终保持真空度为0.05~0.15Pa，制成叶片镶嵌件。
6）叶片镶嵌件检测：叶片镶嵌件的硬度应大于1400HV，抗弯强度大于500MPa，断裂韧性大于10MPa·m1/2，且表面无明显毛刺、孔洞、飞边等缺陷。
实施例2：
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中，球磨时间为4h。
实施例3
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中，球磨时间为4.5h。
实施例4
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中，球磨时间为5h。
实施例5
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中，球磨时间为5.5h。
实施例6
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中，球磨时采用间歇式球磨，球磨机转动与静止的时间比为20:1。
实施例7
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中。球磨时采用间歇式球磨，球磨机转动与静止的时间比为5:1。
实施例8
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中。并且球磨时采用间歇式球磨，球磨机转动与静止的时间比为1:1。
实施例9
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）中球磨混料步骤中球磨速度为300转每分钟。
实施例10
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）中球磨混料步骤中球磨速度为400转每分钟。
实施例11
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）中球磨混料步骤中球磨速度为600转每分。
实施例12
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）中球磨混料步骤中球磨速度为700转每分。
实施例13
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤4）冷压成形步骤中压制速度为1mm/min。
实施例14
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤4）冷压成形步骤中压制速度为10mm/min。
实施例15
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤4）冷压成形步骤中压制速度为20mm/min。
实施例16
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中球磨结束后静置时间为0h。
实施例17
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中球磨结束后静置时间为0.5h。
实施例18
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中球磨结束后静置时间为1.5h。
实施例19
与实施例1相同，其不同点在于本实施例的制备方法在步骤1）球磨混料步骤中球磨结束后静置时间为2.0h。
实施例1-19硬度、抗弯强度、断裂韧性对比表如表1所示：
表1：各实施例力学性能对比表断裂韧性
由表1实施例1~5可以看出，在一定的球磨时间的范围内，随着球磨时间的增加，材料的硬度、抗弯强度、断裂韧性都开始增加，当球磨时间为6h时，材料的各项力学性能达到最佳，而超过6h时，继续球磨，材料各项力学性能开始下降，这是由于刚开始球磨时，材料粒度和团聚现象得到改善，故对材料各项力学性能起促进在作用，而球磨时间过长会使表面能较大的粒度较小颗粒开始团聚，影响混合均匀度，从而导致材料各项力学性能恶化。可见合理的球磨时间可显著提高叶片硬度、抗弯强度，断裂韧性。
由表1实施例1和6~8可知，随着歇式球磨的转动与静止时间比的减小，材料硬度、抗弯强度，断裂韧性出现了先增加后减少的趋势，当歇式球磨的转动与静止时间比为9：1时，材料的各项力学性能达到最佳。这是由于球磨时间较长，静止时间较短时，由于粉末和磨球以及内壁摩擦产生的大量热量无法及时散去，不但使粉末产生热应力，也使粉末发生团聚，影响了球磨质量，当减少转动时间时，又会导致球磨时间的减小而影响球磨质量。
由表1实施例1和9~12可知，随着球磨转速的增加，材料硬度、抗弯强度，断裂韧性出现了先增加后减少的趋势，当球磨转速为500转每分时，材料的各项力学性能达到最佳。这是由于不论是过大的转速还是较小的转速都会导致磨料和粉末产生分层作用，即磨料一直在粉末上转动，将下面的粉末压实，无法起到球磨混料作用。
由上表实施例1和13~15可知，随着冷压压制速度的增加，材料硬度、抗弯强度，断裂韧性都开始下降，压制速度为3mm/min时，材料的各项力学性能达到最佳。这是由于过快的压制速度使粉末受力不均匀，导致应力集中现象，同时，粉末中的空气无法及时排除，使试样产生气孔等缺陷，影响试样质量，故原则上压制速度越小越好，但考虑到速度越小效率越低，故通过试验，我们选取压制速度为3mm/min。
由上表实施例1和16~19可知，随着静置时间的增加，材料硬度、抗弯强度，断裂韧性出现先增加后减少的趋势，静置时间为1h时，材料的各项力学性能达到最佳。这是由于静置时间过短时，粉末颗粒未完全沉淀，彼此间存在空隙或气泡，导致后续冷压和热压时气泡不能完全排除，致密化过程受阻，从而影响材料烧结质量和力学性能；而当静置时间过长，在潮湿的环境下，作为粘结剂钴粉极易氧化，氧化后的钴流动性显著变差，液相烧结时不能均匀分布在基体颗粒之间，从而导致力学性能显著下降，同时静置时间过长还会增加粉末再次团聚的概率，对后续结果产生不利影响。

Claims (10)

1.一种粉末冶金材料，其特征在于，按照以下重量份数的原料制成：
碳化钨粉 200份
碳化铪粉 5份
碳化钽粉 1份
钴粉 20份。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金材料，其特征在于，碳化钨粉的平均粒度为120-180纳米；碳化铪粉的平均粒度为60-80纳米；碳化钽粉的平均粒度为80-120纳米；钴粉平均粒度为50-80纳米。
3.一种以权利要求1或2所述的粉末冶金材料制备镶嵌叶片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）球磨混料：将磨球加入球磨罐，然后将部分碳化钨粉和全部的其他组分加入到球磨罐，再把剩余的碳化钨粉装入球磨罐，再加入球磨液体介质后开始球磨，球磨时间为4~8小时，形成混料；
2）干燥：将混料从球磨罐中取出后，分离出磨球，余下混合料，然后对混合料进行干燥；
3）粉碎：将干燥后的混合料进行粉碎，获得粒度为200~400目的碳化钨基混合粉末；
4）冷压成型：将碳化钨基混合粉末填入给定的叶片模具，模压成型，获得叶片坯件；
5）烧结：将叶片坯件烧结。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1）中球磨时，采用间歇式球磨。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，间歇式球磨时，球磨罐工作与静止的时间比为9:1，间歇的次数不少于6次，且不多于8次。
6.根据权利要求3~5任一所述的方法，其特征在于，球磨完毕后，球磨罐需静置，静置时间不少于1小时。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，从球磨罐中取出混料的步骤是：
首先将球磨罐内的液体介质倒入第一容器，然后将混料过筛后得到的混合料倒入第二容器，其中过筛是把磨球筛余；
使用第一容器内液体介质清洗球磨罐，然后全部倒入第二容器；
干燥时，对第二容器内的料进行干燥。
8.根据权利要求3或7所述的方法，其特征在于，干燥时在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度控制在70~90摄氏度，真空度为800~650Pa，干燥后，料在干燥箱内随干燥箱冷却至室温。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，模压成型采用单向压制，压力为1.8t/cm 2 ，压制速度为3mm/min。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5）烧结步骤为：将压制成形的试样在真空条件下在热压烧结炉进行烧结，以10摄氏度每分钟的升温速率将温度升至800摄氏度，保温40min，然后以6摄氏度每分钟的速率升温至1100摄氏度，保温30min，再以4摄氏度每分钟的升温速率升温至1380摄氏度，进行加压，压力为30MPa，时间为1小时，最后随炉冷却到室温；整个烧结过程中，始终保持真空度为0.05-0.15Pa。
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