CN109355542A - 高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料及其制备方法 - Google Patents

高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，按质量份数计，包括以下组分，TiC 55～65份，NbC 0.7～1.2份，Ta 1.5～2.8份，Ni 25～30份，Mo 5～8份，Y 1.0～1.5份。本发明提供的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料采用碳化钛为主要组分，成本大幅度降低，而与其他组分以特定比例配合形成的刀头材料耐高温和耐磨性能均大幅度提高，平均使用寿命提高两倍以上，工作效率提高一倍以上。

Description

高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及硬质合金材料领域，特别是涉及一种高炉开口钻头金属陶瓷刀 头材料及其制备方法。
背景技术
我国现行的各类硬质合金钻头，只有地矿开采的标准，而没有冶金行业高 炉开口的硬质合金标准，由于开采地矿的使用条件有水冷，因此钻头的使用环 境一般不会超过200℃，而高炉炼铁炉使用的钻头一般要在800℃左右的条件下 工作，因此没有统一的标准参考，现市场上有销售的，一般都是参照YG8标准 制造代用，YG8的化学成分与力学性能可参见《高炉炼铁生产技术手册》(第 576页，周传典编)，其中WC含92％，Co含8％，密度为14.5，抗弯强度不小 于150，硬度不小于HKA89。
该性能刀头是用于切削工作毛坯、铸铁的优选切削刀具，用在炼铁高炉高 温条件下则远远不能满足生产要求，主要原因在于：红硬性差，只适用于600℃ 以下短时瞬间，超过600度以上，其强度和硬度均会下降一半。由于红硬性差， 故耐磨性也差，在600℃工作条件下，刀头磨损超过8分钟即磨损严重，无法继 续工作。由于红硬性、耐磨性差，因此使用寿命很短，一般450m3小高炉铁口 深不到2米免强可用一次，1000m3高炉铁口深2米以上要用1-2个钻头才能打 穿一个孔，2000m3铁口深不到3米以上高炉要用2-3个钻头才能打穿一个孔， 3000m3以上高炉，铁口深都在3米以上，要用3-4个钻头才能打穿一个孔。由 此可见，采用这种材料制成的刀头成本高、效率低。
发明内容
基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种高炉开口钻头金 属陶瓷刀头材料及其制备方法。
一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，按质量份数计，包括以下组分，
TiC 55～65份，NbC 0.7～1.2份，Ta 1.5～2.8份，Ni 25～30份，Mo 5～8份，Y 1.0～1.5份。
在其中一个实施例中，按质量份数计，包括以下组分，
TiC60份，NbC 1份，Ta 2份，Ni028.8份，Mo 7份，Y 1.2份。
本发明相应提供了一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料制备方法，用于制 备如上所述的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，包括下列步骤：
将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y球磨混合，形成第一混合物料，对所述第 一混合物料进行干燥；
将所述第一混合物料进行真空加压烧结，得初成品；
将所述初成品在预定真空内加热至1100℃～1500℃，保温3～5小时，降温至 180℃～200℃，保温24小时。
在其中一个实施例中，所述初成品在预定真空内加热至1150℃，保温4小 时。
在其中一个实施例中，对所述初成品进行离子注入处理，在所述金属陶瓷 刀头材料表面的刃部范围内注入金属Ti、Nb或Ta中的至少一种。
本发明提供的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料采用碳化钛为主要组分，成 本大幅度降低，而与其他组分以特定比例配合形成的刀头材料耐高温和耐磨性 能均大幅度提高，平均使用寿命提高两倍以上，工作效率提高一倍以上。
具体实施方式
本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反 地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元 件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可 以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，按质量份数计，包括以 下组分，TiC 55～65份，NbC 0.7～1.2份，Ta 1.5～2.8份，Ni 25～30份，Mo 5～8 份，Y 1.0～1.5份。
碳化钛具有很高的化学性质稳定，是典型的过渡金属碳化物，其键型是由 离子键、共价键和金属键混合在同一晶体结构中，其独特的晶体结构决定了碳 化钛具有高硬度、高熔点、耐磨损等基本特征，被广泛用于制造金属陶瓷，耐 热合金、硬质合金、抗磨材料。碳化铌易熔于碳化钛中，可与碳化钛一起生成 类质同晶固溶混合物，从而产生固溶强化的效果，提高材料的高温硬度和耐磨 性。高硬材料通常具有脆性大的问题，本发明中可通过掺入Ni减少碳化钛的脆 性。另外在本发明实施例中添加了钽，其延展性良好，有助于降低摩擦系数， 从而有效降低刀具产生的不必要的热量，刀具能在高切削刃温度下承受较大的 冲击负荷。在含C氛围中少量Mo相在1350℃以上完全溶解到混合相中，并在 金属陶瓷的快速冷却过程中来不及析出而与Ni相形成共晶混合相，而Mo相的 耐高温性能使本来对高温没有优势的Ni相的高温性能的提高起了很大的作用， 使得混合相在高温度下能保持其固有的常温下的物理性能，从而大幅度提高金 属陶瓷刀头的高温恒韧性，得以保持金属陶瓷刀头在800℃～1000℃高温下应有 的强度和硬度。上述原料协同发挥作用，其配比科学合理，特别是钽、钼、镍 以及稀有合金元素的配合，使硬质合金刀头使用寿命大大提高，使用寿命至少 提高2倍。
另外，在一种方案中，可在适当制备工艺中添加一定粒度的铜粉，铜的延 展性和导热性很高，将其分散到材料中能起到较好的润滑作用，由于铜的熔点 仅在1083℃，在1200℃左右的温度下，少量铜会形成熔融状态，被其他金属相 吸附，因而在高温工作时能够在工作面上形成润滑层，提高刀具的通过性。优 选的，铜粉的粒度可在400～600目。
本发明相应提供了一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料制备方法，用于制 备上述的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，包括下列步骤：
步骤S100：将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y球磨混合，形成第一混合物料， 对第一混合物料进行干燥。
步骤S200：将第一混合物料进行真空加压烧结，得初成品。具体地，采用 低压真空和100MPa过压炉烧结，使材料密度和抗弯强度均有明显提高，使用撞 断率减少50％。
步骤S300：将初成品在预定真空内加热至1100℃～1500℃，保温3～5小时， 降温至180℃～200℃，保温24小时。优选的，初成品在预定真空内加热至1150℃， 保温4小时。本步骤可清除成型后的材料的应力，根据现场使用情况观察，其 基本清除了刀头表面炸裂的现象。
作为一个优选的方案，对初成品进行离子注入处理，在金属陶瓷刀头材料 表面的刃部范围内注入金属Ti、Nb或Ta中的至少一种。通过离子注入技术， 实行材料表面的强化和改性，将金属陶瓷或难溶金属喷涂到刀头的表面层深度 0.3-0.5mm的范围使其硬化，其耐磨性、耐高温性能得到明显提高。
以下是具体实施例：
实施例1：
按质量份数计，包括以下组分，TiC 55份，NbC 0.7份，Ta 1.5份，Ni 25 份，Mo 5份，Y 1.0份。将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y球磨混合，形成第一混 合物料，对第一混合物料在150℃下进行干燥，干燥1小时，干燥期间可采用翻 滚方式进行，使第一混合物料能够充分快速地干燥。再将第一混合物料采用低 压真空和100MPa过压炉烧结，完成后得烧结后产品。将烧结后产品在预定真空 内加热至1100℃，保温5小时，降温至180℃，保温24小时，即得高炉开口钻 头金属陶瓷刀头材料。
实施例2：
按质量份数计，包括以下组分，TiC60份，NbC 1份，Ta 2份，Ni28.8份， Mo 7份，Y1.2份。将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y球磨混合，形成第一混合物 料，对第一混合物料在150℃下进行干燥，干燥1小时，干燥期间可采用翻滚方 式进行，使第一混合物料能够充分快速地干燥。再将第一混合物料采用低压真 空和100MPa过压炉烧结。将烧结后的产品在预定真空内加热至1150℃，保温4 小时，降温至200℃，保温24小时，完成后得初成品。再采用离子注入的技术 对初成品上作为刃口的部分进行离子注入，将金属Nb注入到刃口表面以下 0.3mm的部分中，得高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料。
实施例3：
按质量份数计，包括以下组分，TiC65份，NbC 1.2份，Ta 2.8份，Ni30份， Mo8份，Y1.5份。将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y球磨混合，形成第一混合物 料，对第一混合物料在150℃下进行干燥，干燥1小时，干燥期间可采用翻滚方 式进行，使第一混合物料能够充分快速地干燥。再将第一混合物料采用低压真 空和100MPa过压炉烧结。将烧结后的产品在预定真空内加热至1480℃，保温3 小时，降温至190℃，保温24小时，完成后得初成品。再采用离子注入的技术 对初成品上作为刃口的部分进行离子注入，将金属Ti注入到刃口表面以下 0.4mm的部分中，得高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料。
实施例4：
按质量份数计，包括以下组分，TiC60份，NbC 1份，Ta 2份，Ni28.8份， Mo 7份，Y1.2份，400目铜粉5.6份。将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y和铜粉 球磨混合，形成第一混合物料，对第一混合物料在150℃下进行干燥，干燥1小 时，干燥期间可采用翻滚方式进行，使第一混合物料能够充分快速地干燥。再 将第一混合物料采用低压真空和100MPa过压炉烧结。将烧结后的产品在预定真 空内加热至1500℃，保温3小时，降温至200℃，保温24小时，完成后得初成 品。再采用离子注入的技术对初成品上作为刃口的部分进行离子注入，将金属 Nb注入到刃口表面以下0.3mm的部分中，得高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权 利要求为准。

Claims (5)

1.一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，其特征在于，按质量份数计，包括以下组分，
TiC 55～65份，NbC 0.7～1.2份，Ta 1.5～2.8份，Ni 25～30份，Mo 5～8份，Y1.0～1.5份。
2.根据权利要求1所述的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，其特征在于，按质量份数计，包括以下组分，
TiC60份，NbC 1份，Ta 2份，Ni028.8份，Mo 7份，Y 1.2份。
3.一种高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1～2任一所述的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料，包括下列步骤：
将TiC、NbC、Ta、Ni、Mo、Y球磨混合，形成第一混合物料，对所述第一混合物料进行干燥；
将所述第一混合物料进行真空加压烧结，得初成品；
将所述初成品在预定真空内加热至1100℃～1500℃，保温3～5小时，降温至180℃～200℃，保温24小时。
4.根据权利要求3所述的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料制备方法，其特征在于，所述初成品在预定真空内加热至1150℃，保温4小时。
5.根据权利要求3或4所述的高炉开口钻头金属陶瓷刀头材料制备方法，其特征在于，对所述初成品进行离子注入处理，在所述金属陶瓷刀头材料表面的刃部范围内注入金属Ti、Nb或Ta中的至少一种。
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