CN109338198A - 一种高性能yc50硬质合金及其加工方法 - Google Patents

一种高性能yc50硬质合金及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能YC50硬质合金及其加工方法，配方包括：87‑90％的超细WC粉末、0.4‑0.5％的添加剂和10‑12％的钴粉；加工方法，包括步骤一，原材料选取；步骤二，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体；步骤三，球磨混合；步骤四，高精度模压；步骤五，脱蜡/真空压力烧结；步骤六，检测入库；该发明，适合于加工各种不锈钢的YC50A微晶硬质合金的生产；通过计算制定球磨工艺，实现对超细硬质合金的矫顽磁力、比饱和磁化强度等重要物理性能的定量控制，稳定产品质量；根据产品规格不同而选择不同的工艺及工艺组合，既能保证产品尺寸的精度，又能保证产品的质量，采用脱蜡真空压力烧结一体化技术，有利于稳定碳势，缩短了工艺流程，提高了生产效率，降低了能耗。

Description

一种高性能YC50硬质合金及其加工方法
技术领域
本发明涉及硬质合金技术领域，具体为一种高性能YC50硬质合金及其加工方法。
背景技术
不锈钢自从其问世以来，由于其优异的抗腐蚀性能而在国民经济的各个领域得到广泛的应用。随着世界经济的快速发展，随着工业领域的应用层次的不断提高，越来越多的领域需要档次更高、性能更优异的特种不锈钢。
特种不锈钢，首先在化学成分上与普通不锈钢304不同，是指含高镍、高铬、高钼的高合金不锈钢。其次在耐高温或者耐腐蚀的性能上，与304相比，具有更加优秀的耐高温或者耐腐蚀性能，是304不可取代的。另外，从不锈钢的分类上，特殊不锈钢的金相组织是一种稳定的奥氏体金相组织。由于这种特种不锈钢是一种高合金材料，所以在制造工艺上相当复杂。
不锈钢种类多样，根据其金相组织特点可分为以下几类:铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体加铁素体型和沉淀硬化型。不锈钢是一种典型的难加工材料，不锈钢加工难度从易到难的顺序是铁素体型、马氏体型、奥氏体型、奥氏体加铁素体型、沉淀硬化型。不锈钢的切削加工有如下特点:
1、切屑不易折断，粘附现象严重，既加剧刀具磨损，又会出现撕扯现象而使已加工表面受伤。由于特种不锈钢中含有大量的Ti、Ni、Cr、Mo、W等元素，与其他金属亲和性强，易产生粘附现象，形成积屑瘤。当切屑流动时，在刀刃上切屑的粘附、堆集、直至脱落会交替进行，从而带走刀具表面材料，导致刀具破损，这种磨损除在前刀面产生明显的月牙洼外，后刀面也易出现明显的沟纹，且边界磨损厉害；特种不锈钢的高塑性、韧性也使得车加工时切屑连绵不断，这不仅影响操作的安全性，而且还会挤伤己加工表面。在含碳量较低的马氏体不锈钢中这一特点更为明显。
2、导热系数小，切削过程中产生的热量不能及时传导，导致切削温度急剧升高。奥氏体不锈钢导热系数仅是一般钢材的28％左右，甚至比硬质合金的导热系数还低，因此在切削过程中的切削热不能及时通过工件、切屑传导出去，造成大量切削热集中在刀刃附近，使得切削温度大大提高，如18-8型不锈钢的切削温度高达1000-1100℃，而45#钢的切削温度只有700-750℃。
3、加工硬化趋势严重，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现象最为突出。如奥氏体不锈钢硬化后的强度σb达1470-1960MPa，而且随σb的提高，屈服极限σs升高；退火状态的奥氏体不锈钢σb不超过的σb30％-45％，而加工硬化后达85％-95％。加工硬化层的深度可达切削深度的l/3或更大；硬化层的硬度比原来的提高1.4-2.2倍。因为不锈钢的塑性大，塑性变形时品格歪扭，强化系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削应力的作用下，部分奥氏体会转变为马氏体；再加上化合物杂质在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布，使切削加工时产生硬化层。前一次进给或前一道工序所产生的加工硬化现象严重影响后续工序的顺利进行。
4、切削力大，特种不锈钢在切削过程中塑性变形大，尤其是奥氏体不锈钢(其伸长率超过45号钢的1.5倍以上)，使切削力增加。同时，不锈钢的加工硬化严重，热强度高，进一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折断也比较困难。加工不锈钢的切削力大，如车削1Cr18Ni9Ti的单位切削力为2450MPa，比45号钢高25％。
5、线膨胀系数大：不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5倍，在切削温度作用下，工件容易产生热变形，尺寸精度较难控制。
加工这类材料，国内外普遍采用M20-M40类合金，如YM20、YC30S、YG640等。大量的生产实践证明，添加一定的数量细颗粒Tac、Nbc、(Ta，Nb)C粉末，M类合金会有着更好的效果。如HS、K2S、UTi20T、U1等。近年来，随着超细WC粉末的研发和进步，促使了超细硬质合金的出现。随着WC晶粒的细化，切削效果又前进了一步。目前国内有不少牌号可用于加工特种不锈钢，如YS2T、YW4等，但都存在加工范围窄，通用性不高，使用寿命不理想的问题。因此开发出性能优良的适用的合金牌号，解决特种不锈钢加工难的问题，对于创造良好经济效益，具有现实意义。实践表明，加工奥氏体不锈钢及沉淀硬化型不锈钢有着良好效果的合金牌号，加工其他难加工材料往往也有着良好的效果，因此研究出适于加工特种不锈钢的合金牌号有着广泛而重要的意义。
传统的碳化钨、钛、钽、铌固溶体粉末的制备主要采用常规的原材料粉末TiO2、C、WC、Ta2O5、Nb2O5按一定比例混合后在碳管炉中高温碳化(碳化温度为2100-2200℃)而成，经强烈球磨后粉末粒度一般为3-5μm左右，难以满足高档硬质合金的要求。其碳化反应过程可以分为两个阶段。第一阶段，Ta2O5与C、Nb2O5与C以及TiO2与C反应生成碳化钽颗粒、碳化铌颗粒和碳化钛颗粒。随后，碳化钽颗粒、碳化铌颗粒、碳化钨颗粒溶解在碳化钛颗粒中，形成稳定的(Ti，W，Ta，Nb)C固溶体。为了加速固溶体形成过程，炉料制备一般采用压团工艺。采用此传统方法制备的碳化钨、钛、钽、铌固溶体粉末固溶不完全，相成分呈现为两相或多相，见图1所示的X衍射图在2θ为40-43度的衍射峰。
传统(Ti，W，Ta，Nb)C固溶体粉末电镜图片如图2所示。由图可见粉末颗粒分布不均匀，存在着粗大团聚体和单晶颗粒，其平均粒度为3-5微米。其中粒度最小的颗粒约为1μm左右，粗大的单晶颗粒也约为40-50μm。在硬质合金的制备过程中这些粗大颗粒几乎会保留下来，由于(Ti，W，Ta，Nb)C是TiC基面心立方结构，与钴相的润湿性差。粗大颗粒与钴相的结合力弱，结合处晶界面积大，在合金烧结过程中活性低、扩散速度慢、聚集现象严重，因此粗大颗粒与钴相的接触处可视为微裂纹，影响产品的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能YC50硬质合金及其加工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高性能YC50硬质合金，配方包括：超细WC粉末、添加剂和钴粉；各组分的重量份数分别是：87-90％的超细WC粉末、0.4-0.5％的添加剂和10-12％的钴粉。
一种高性能YC50硬质合金的加工方法，包括步骤一，原材料选取；步骤二，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体；步骤三，球磨混合；步骤四，高精度模压；步骤五，脱蜡/真空压力烧结；步骤六，检测入库；
其中在上述步骤一中，按照各组分的重量份数分别是：87-90％的超细WC粉末、0.4-0.5％的添加剂和10-12％的钴粉进行选取，并按照重量百分比之和为1进行称取；
其中在上述步骤二中，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体包括以下步骤：
1)超细WC粉末、TaC、NbC、Ti02和炭黑按一定的比例(根据原材料的情况略有微调)进行混合6-8小时；
2)卸料装舟进行碳化，碳化完成后球磨并分析结果；
其中在上述步骤三中，根据每批原料所生产牌号的球磨因子、性能指标中值，通过计算制定球磨工艺，将上述步骤二中制备所得的(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体与超细WC粉末、添加剂和钴粉按照球磨工艺混合打磨；
其中在上述步骤四中，将打磨好的粉末加入成型剂后进行高精度模压，制造出坯体；
其中在上述步骤五中，采用真空-压力烧结技术和脱蜡压力烧结一体化技术，将压制成型的坯体烧结成成品；
其中在上述步骤六中，对上述步骤五中所得的成品进行性能和尺寸的测试，合格者包装入库。
根据上述技术方案，所述超细WC粉末选择碳化完全、结晶完整、均匀性好、粒度分布窄、稳定性好、BET粒度合适的超细WC粉末，其主要性能指标要求为表1、表2、表3所示。
根据上述技术方案，所述步骤一中，主要原材料的供应商是通过调研和分析评审的合格供应商；原料供应方提供的每批原料均必须出具质量证明书；原料进厂后，对每批原材料主要化学成分和粒度以及粒度组成进行复检。
根据上述技术方案，所述步骤二2)中，炭化温度为1750-1800℃，碳化时间为120min。
根据上述技术方案，所述步骤四中，根据产品规格不同而选择不同的工艺及工艺组合，且采用压力机和液压机进行压模。
根据上述技术方案，所述步骤五中，烧结温度1420-1450℃，烧结时间为50-80min。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该高性能YC50硬质合金及其加工方法，适合于加工各种不锈钢的YC50A微晶硬质合金的生产，采用了特殊工艺控制优质碳化钽铌固溶体粉末质量、超细硬质合金碳含量的控制技术、球磨因子控制技术，形成一套独特且行之有效的生产线；根据每批原料所生产牌号的球磨因子、性能指标中值，通过计算制定球磨工艺，实现对超细硬质合金的矫顽磁力、比饱和磁化强度等重要物理性能的定量控制，稳定产品质量；根据产品规格不同而选择不同的工艺及工艺组合，既能保证产品尺寸的精度，又能保证产品的质量，同时将脱蜡和真空压力烧结过程结合起来，采用脱蜡真空压力烧结一体化技术。有利于稳定碳势，缩短了工艺流程，提高了生产效率，降低了能耗。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是(Ti，W，Ta，Nb)C粉末的X衍射峰(2θ：40-43°)示意图；
图2是传统(Ti，W，Ta，Nb)C粉末电镜照片；
图3是Ta-Ti相图；
图4是Nb-Ti相图；
图5是Ti-W相图；
图6是本发明制备(Ti，W，Ta，Nb)C粉末X衍射峰(2θ：40-43°)示意图；
图7是本发明制备(Ti，W，Ta，Nb)C粉末电镜照片；
图8是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种高性能YC50硬质合金，配方包括：超细WC粉末、添加剂和钴粉；各组分的重量份数分别是：87-90％的超细WC粉末、0.4-0.5％的添加剂和10-12％的钴粉。
一种高性能YC50硬质合金的加工方法，包括步骤一，原材料选取；步骤二，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体；步骤三，球磨混合；步骤四，高精度模压；步骤五，脱蜡/真空压力烧结；步骤六，检测入库；
其中在上述步骤一中，按照各组分的重量份数分别是：87-90％的超细WC粉末、0.4-0.5％的添加剂和10-12％的钴粉进行选取，并按照重量百分比之和为1进行称取；
其中在上述步骤二中，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体包括以下步骤：
1)超细WC粉末、TaC、NbC、Ti02和炭黑按一定的比例(根据原材料的情况略有微调)进行混合6-8小时；
2)卸料装舟进行碳化，碳化完成后球磨并分析结果，炭化温度为1750-1800℃，碳化时间为120min；
其中在上述步骤三中，根据每批原料所生产牌号的球磨因子、性能指标中值，通过计算制定球磨工艺，将上述步骤二中制备所得的(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体与超细WC粉末、添加剂和钴粉按照球磨工艺混合打磨；
其中在上述步骤四中，将打磨好的粉末加入成型剂后进行高精度模压，制造出坯体，根据产品规格不同而选择不同的工艺及工艺组合，且采用压力机和液压机进行压模；
其中在上述步骤五中，采用真空-压力烧结技术和脱蜡压力烧结一体化技术，将压制成型的坯体烧结成成品，烧结温度1420-1450℃，烧结时间为50-80min；
其中在上述步骤六中，对上述步骤五中所得的成品进行性能和尺寸的测试，合格者包装入库。
其中，超细WC粉末选择碳化完全、结晶完整、均匀性好、粒度分布窄、稳定性好、BET粒度合适的超细WC粉末，其主要性能指标要求为表1、表2、表3所示；步骤一中，主要原材料的供应商是通过调研和分析评审的合格供应商；原料供应方提供的每批原料均必须出具质量证明书；原料进厂后，对每批原材料主要化学成分和粒度以及粒度组成进行复检。
基于上述，本发明的优点在于，在传统(Ti，W，Ta，Nb)C固溶体粉末的生产基础上进行了如下的改进:
(a)TiC、TaC、NbC粉末制备过程中的热力学计算；
TiO2、Ta2O5、Nb2O5与C反应的化学方程式和自由能变化分别为：
TiO2+3C＝TiC+2CO↑
△rGm°＝1493248-889.23T
Ta2O5+7C＝2TaC+5CO↑
△rGm°＝1168600-838.93T
Nb2O5+7C＝2NbC+5CO↑
△rGm°＝1042400-843.69T
由此计算得到在平衡状态下，以上三个反应的临界温度分别为:
1679.26K、1392.96K、1235.52K。由此可见，以上三反应的临界温度较低，而实际生产中所采用的温度明显高于此温度300-600℃。因此实际生产中采用一些特殊工艺使其反应完全并降低反应温度。
(b)Ta-Ti、Nb-Ti、W-Ti的固溶温度和固溶量；
Ta-Ti、Nb-Ti、W-Ti的相图分别如图3、图4和图5。
由图3、4和5可见，三者均在较低的温度下发生固溶且固溶量大。
在以上相关研究的基础上主要措施有：
(1)在WC、TaC、NbC向TiC晶格固溶过程中，粒度越细，接触点越多，扩散距离越短，越易于形成单相。根据扩散理论，如果原始颗粒粗大要进一步反应必须越过势垒进行长程扩散，这就意味着WC、TaC、NbC必须具有更高的能量。原子扩散需要超额的能量，而这种能量是依靠晶体中的能量涨落来提供的。原子的跳动频率与温度相关，
根据热力学，△GM＝△UM-T△SM，故上式可改写为
式中△UM为扩散激活能，△SM为扩散激活熵，Z为空余间隙原子数，v为原子的平均振动频率。显然随着温度的升高，原子的跳动频率增大，原子扩散的机会增大。在升高温度的过程中必然引起晶粒的长大和其它晶粒的联结，从而使颗粒粒度增大和颗粒的烧结现象严重。
(2)低温碳化固溶工艺
根据上述原材料TiO2、C、WC、TaC、NbC的技术指标，确定其相应的低温碳化(1800℃)固溶工艺。通过以下反应方程式制备:
TiO2+C+WC+TaC+NbC＝(Ti，W，Ta，Nb)C
通过以上大量的试验工作制备得到的(Ti，W，Ta，Nb)C固溶体粉末相成分和形貌如图6和图7所示。
由图6和图7可见，本研究制备的(Ti，W，Ta，Nb〉C固溶体粉末为单相，即固溶完全，粉末颗粒均匀、细小，粒度大小为1微米左右。
因此采用这种工艺制备的(Ti，W，Ta，Nb)C固溶体粉末完全避免一些硬质合金中的缺陷的存在。
(a)添加剂数量的研究
添加剂按表4试验方案进行研究。将表4的各种成分比例进行配料，在1.4升硬质合金球磨桶中湿磨，然后干燥、过筛制备混合料，压制成型，烧结。将制备的试样(5.25×6.5×20mm〉喷砂处理，进行物理机械性能检测和金相观察，将制备的型号为41605A的焊接刀片进行切削试验，每种刀片切削2次，以相同切削条件下后面平均磨损高度衡量刀片的使用性能。经烧结后得到的各项物理性能检测指标如表5，由表5可见,随着添加剂数量的增加,硬度增加,抗弯强度降低。
耐磨性试验1:
试验条件:
材料:1Cr18Ni9Ti
刀片型号:41605A
主偏角:45°
切削速度:140m/mm
切削深度:1mm
进给量:0.1mm/r
切削时间:15min
经测量耐磨性试验1#、2#、3#、4#刀片后刀面磨损高度分别为0.25mm、0.11mm、0.13mm、0.19mm。
由此可见,2#和3#刀片的耐磨性比较好。
耐磨性试验⒉
试验条件:
材料：1Cr18Ni9Ti
刀片型号：41605A
主偏角：45°
切削速度：140m/mm
切削深度:1mm
进给量:0.1mm/r
切削时间:30min
经测量耐磨性试验2#、3#刀片后刀面磨损高度分别为019mm、0.21mm。
通过以上试验基本可以确定,添加剂的含量为0.42～0.44％性能更为优异。
(b)钴含量的研究
试验方法如上述所示,钴含量的比例如表6所示。经烧结后检测试样的物理性能指标如表7所示，由表7可见，随着钴含量的升高，合金材质硬度下降，强度上升。
耐磨性试验3:
试验条件:
材料:1Cr18Ni9Ti
刀片型号:41605A
主偏角:45°
切削速度:250m/mm
切削深度:1mm
进给量:0.1mm/r
切削时间:10min
经测量耐磨性试验表明5#和6#发生了断刀现象,而7#、8#刀片后刀面磨损高度分别为0.08mm、0.10mm。
由此可见,7#和8#刀片的耐磨性更好。
通过以上试验基本可以确定,添加剂的含量为0.42～0.44％、钴含量为10～11％时合金性能更为优异。
(c)烧结工艺的研究
通过多次的烧结试验基本确定了本合金牌号的脱蜡工艺和高温烧结工艺。在上述研究的基础上再进行优化设计,研制了本发明合金与其他合金切削试验对比如下:
试验条件:
材料:1Cr18Ni9Ti
刀片型号:41605A
主偏角:45°
切削速度:180m/min
切削深度:1mm
进给量:0.1mm/r
切削时间:20min
经测量表明,YC50A刀片后刀面磨损高度为0.13mm,而对比性牌号为0.21mm。由上述切削试验表明:本发明合金在180m/min的高速切削条件下仍能保持较小的后刀面磨损，优势明显。
(d)YC50A硬质合金的化学成份及物理性能
YC50A硬质合金化学成份应符合表8规定；
YC50A硬质合金的物理力学性能应符合表9规定；
YC50A硬质合金的金相组织机构应符合表10规定
附表：
表1超细WC粉末的主要技术指标
表2超细WC粉末粒度分布要求(马尔文分布标准)
表3超细WC粉末化学成分
续表3
表4添加剂试验方案
表5烧结合金物理性能指标
表6钴添加量的试验方案
表7烧结后的各项物理性能指标
表8
表9
表10
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高性能YC50硬质合金，其特征在于：配方包括：超细WC粉末、添加剂和钴粉；各组分的重量份数分别是：87-90％的超细WC粉末、0.4-0.5％的添加剂和10-12％的钴粉。
2.一种高性能YC50硬质合金的加工方法，包括步骤一，原材料选取；步骤二，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体；步骤三，球磨混合；步骤四，高精度模压；步骤五，脱蜡/真空压力烧结；步骤六，检测入库；其特征在于：
其中在上述步骤一中，按照各组分的重量份数分别是：87-90％的超细WC粉末、0.4-0.5％的添加剂和10-12％的钴粉进行选取，并按照重量百分比之和为1进行称取；
其中在上述步骤二中，制备(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体包括以下步骤：
1)超细WC粉末、TaC、NbC、Ti02和炭黑按一定的比例(根据原材料的情况略有微调)进行混合6-8小时；
2)卸料装舟进行碳化，碳化完成后球磨并分析结果；
其中在上述步骤三中，根据每批原料所生产牌号的球磨因子、性能指标中值，通过计算制定球磨工艺，将上述步骤二中制备所得的(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体与超细WC粉末、添加剂和钴粉按照球磨工艺混合打磨；
其中在上述步骤四中，将打磨好的粉末加入成型剂后进行高精度模压，制造出坯体；
其中在上述步骤五中，采用真空-压力烧结技术和脱蜡压力烧结一体化技术，将压制成型的坯体烧结成成品；
其中在上述步骤六中，对上述步骤五中所得的成品进行性能和尺寸的测试，合格者包装入库。
3.根据权利要求1所述的一种高性能YC50硬质合金，其特征在于：所述超细WC粉末选择碳化完全、结晶完整、均匀性好、粒度分布窄、稳定性好、BET粒度合适的超细WC粉末，其主要性能指标要求为表1、表2、表3所示。
4.根据权利要求2所述的一种高性能YC50硬质合金的加工方法，其特征在于：所述步骤一中，主要原材料的供应商是通过调研和分析评审的合格供应商；原料供应方提供的每批原料均必须出具质量证明书；原料进厂后，对每批原材料主要化学成分和粒度以及粒度组成进行复检。
5.根据权利要求2所述的一种高性能YC50硬质合金的加工方法，其特征在于：所述步骤二2)中，炭化温度为1750-1800℃，碳化时间为120min。
6.根据权利要求2所述的一种高性能YC50硬质合金的加工方法，其特征在于：所述步骤四中，根据产品规格不同而选择不同的工艺及工艺组合，且采用压力机和液压机进行压模。
7.根据权利要求2所述的一种高性能YC50硬质合金的加工方法，其特征在于：所述步骤五中，烧结温度1420-1450℃，烧结时间为50-80min。
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