CN109396439A - 一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法，包括如下步骤：按照比例称量硬质合金粉和塑料钢基体粉，将合金粉放入球磨机中进行混合及破碎，其中添加无水乙醇为过程控制剂，球磨后将湿混合粉放入真空干燥箱中进行干燥，干燥后备用。把有机单体和引发剂加入到溶剂中制备预混液；加入提高浆料流动性和分散性的添加剂；加入催化剂和pH调节剂并搅拌均匀，得到浆料；将浆料注入注凝模抽真空或震动除气，浆料固化成型后将坯体放入真空干燥箱中进行干燥，将干燥后的坯体在真空烧结炉中进行一体化脱胶和烧结，制备钢结硬质合金。本发明在保证了钢结硬质合金宏观性能的基础上，具有工艺简单、成本较低、易于制备大尺寸、复杂形状零部件的优点。

Description

一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制备领域，具体涉及一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法。
背景技术
新型硬质合金的在汽车、冶金、矿山、建材及模具等行业可替代传统的耐磨材料，大幅度提高零部件使用寿命，节约资源，具有良好的社会经济效益。此外，随着工业生产的大量需求及不可避免的人为浪费，我国乃至世界范围内的W、Co资源已经相当贫乏，价格不断上涨，各国都大力开展寻求W、Co的代用材料的研究开发。因此，研究开发复合塑料基钢结硬质合金无论是工程应用方面，还是在技术经济方面都具有重大的意义。
目前制备此种材料的方法主要是粉末冶金方法，包括压制成形、冷等静压成形、注射成形等，随后进行真空烧结作为最终成形。利用压制成形和冷等静压成形制备较大零件所需较大压力而无能为力，制备复杂形状的零部件较困难，同时对于制备陶瓷晶粒尺寸较小和含量较高的复合材料的时候，成型较困难且晶粒易长大；利用注射成形方法生产此种材料的小零部件，但此种方法不适用于较大尺寸的零部件的制备，同时此种工艺中掺杂的胶体较多，脱胶时间较长，同时坯体材料的致密度较低，不利于快速进行生产和致密度的提高；还有利用自蔓延燃烧合成反应方法制备此类材料，但制备的材料往往具有较低的致密度。一些以热等静压烧结等作为最终烧结工艺，但是成本昂贵。
发明内容
本发明是针对现有的钢结硬质合金在成形和烧结方面存在难以快速、经济的制备晶粒尺寸较小及含量较高、较大尺寸、复杂形状零件等方面的困难，提供一种制备大尺寸、复杂形状且生产工艺简单、成本较低的复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法。
本发明提供一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照比例称量40～50％复合硬质合金粉和40～55％塑料钢基体粉，0.1～0.3％稀土金属粉末，0.2～1.0％FeSiMgRe，0.4～0.8％石墨粉，8～12％羰基铁粉，将上述粉末放入球磨机中进行混合及破碎，其中添加有机液体为过程控制剂，将混合粉放入真空干燥箱中进行干燥，干燥后备用；
(2)把有机单体和引发剂加入到溶剂中制备预混液；
(3)将干燥的混合粉加入到预混液中并搅拌均匀，在搅拌过程中加入体积百分数为浆料的1～3％的油酸，以提高浆料流动性和分散性；
(4)加入催化剂和pH调节剂并搅拌均匀，得到浆料；将浆料注入注凝模具并用抽真空或震动法除气泡，浆料固化成形，反应一定的时间后脱模，即得坯体；
(5)将坯体放入真空干燥箱中干燥，将干燥后的坯体进行脱胶和最终的烧结。
优选的，所述的塑料钢基体包括6Cr4W3MoVNb、6W6Mo5Cr4V、7Cr7Mo3V2Si、Cr4W2MoV、Cr5Mo1V、Cr6WV、Cr12MoV、Cr12W、Cr12Mo1V1中之一种。
优选的，所述的复合硬质合金粉为碳化钒粉、碳化钛粉、氮化钛粉和氮化钒粉，混合比例为(1.4～3.2)：(1.5～1.8)：(0.7～1.7)：(2.4～4)。
优选的，所述的稀土粉末为Ce,Nb，Eu中的一种。
优选的，所述的有机液体为无水乙醇、环己烷、正己烷中的一种。
优选的，所述的有机单体为丙烯酸羟乙酯、溶剂为二甲苯、引发剂为过氧化二苯甲酰；其中有机单体和溶剂的体积比为1：2～2：1，每100ml预混液中引发剂的含量为0.8～1.7g。
优选的，所述混合粉在浆料中的体积百分数为50～55％。
优选的，所述催化剂为二甲基苯胺。
优选的，所述pH调节剂为氨水，调节pH值为7～8。
优选的，所述脱胶和烧结采用真空烧结炉进行一体化烧结，工艺为：坯体在600℃保温2～3h进行脱胶，在1400～1450℃保温1～2h进行最终烧结。
本发明的有益效果为：
(1)本发明使得能够快速、经济的制备晶粒尺寸较小、较大尺寸、复杂形状的零件。
(2)凝胶注模成型技术是在低粘度、高固相体积分数的粉体—溶剂浓悬浮体中，加入有机单体，然后在催化剂和引发剂的作用下使悬浮体中的有机单体化学交联聚合或物理交联成三维网状结构，从而使悬浮体原位固化成型，最后将坯体中少量的胶体排出，再进行烧结得到致密部件。
(3)本发明以复合硬质合金粉末为增强相制造新型钢结硬质合金，复合硬质合金与Fe具有非常好的相溶性，二者接合界面好，且高温热稳定性。
(4)为防止严重的粘着磨损，获得更佳的自润滑效果，本发明通过在钢结硬质合金中加入一定含量的石墨，使材料的组织中含有许多自润滑显微石墨相，使硬质合金的摩擦系数大为改善，从而使摩擦因数降低。
(5)本发明通过添加稀土元素，有助于不同组元间润湿性的改善和提高,从而有利于致密化进程,达到减小孔隙率的目的，使得钢结硬质合金中的孔隙度减少，而孔隙度的减小又必将有助于塑性和抗弯强度的提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法，包括如下步骤：
称量质量分数为40％的复合硬质合金粉(碳化钒粉：碳化钛粉：氮化钛粉：氮化钒粉的混合比例为1.4：1.5：0.7：2.4)、0.10％Ce、0.2％FeSiMgRe，0.4％石墨粉、8％羰基铁粉，6Cr4W3MoVNb塑料钢基体原料粉，将上述粉末放入球磨机中进行混合及破碎，其中添加无水乙醇为过程控制剂，将湿混合粉放入真空干燥箱中进行干燥，干燥后备用；按照体积比1：2量取有机单体丙烯酸羟乙酯和溶剂二甲苯制备预混液，向预混液中加入1.2g/100ml的过氧化二苯甲酰并搅拌均匀；将干燥的混合粉加入到预混液中，同时滴加2％的油酸并搅拌均匀，形成浆料；向浆料中添加0.15％的二甲基苯胺并添加氨水调节PH为7；用抽真空法除去气泡后将坯体放入真空烧结炉中进行脱胶和最终烧结，工艺为：在600℃保温3h进行脱胶，在1400℃保温2h进行最终烧结；最后随炉冷却得到钢结硬质合金零件。
实施例2
一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法，包括如下步骤：
称量质量分数为45％的复合硬质合金粉(碳化钒粉：碳化钛粉：氮化钛粉：氮化钒粉的混合比例为2.3：1.6：1.2：3.0)、0.20％Nb、0.6％FeSiMgRe，0.6％石墨粉、10％羰基铁粉，6W6Mo5Cr4V塑料钢基体原料粉，将上述粉末放入球磨机中进行混合及破碎，其中添加环己烷为过程控制剂，将湿混合粉放入真空干燥箱中进行干燥，干燥后备用；按照体积比1：1量取有机单体丙烯酸羟乙酯和溶剂二甲苯制备预混液，向预混液中加入1.2g/100ml的过氧化二苯甲酰并搅拌均匀；将干燥的混合粉加入到预混液中，同时滴加2％的油酸并搅拌均匀，形成浆料；向浆料中添加0.15％的二甲基苯胺并添加氨水调节PH为7；用抽真空法除去气泡后将坯体放入真空烧结炉中进行脱胶和最终烧结，工艺为：在600℃保温2h进行脱胶，在1430℃保温1h进行最终烧结；最后随炉冷却得到钢结硬质合金零件。
实施例3
一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法，包括如下步骤：
称量质量分数为50％的复合硬质合金粉(碳化钒粉：碳化钛粉：氮化钛粉：氮化钒粉的混合比例为3.2：1.8：1.7：4)、0.30％Eu、1.0％FeSiMgRe，0.8％石墨粉、12％羰基铁粉，7Cr7Mo3V2Si塑料钢基体原料粉，将上述粉末放入球磨机中进行混合及破碎，其中添加正己烷为过程控制剂，将湿混合粉放入真空干燥箱中进行干燥，干燥后备用；按照体积比2：1量取有机单体丙烯酸羟乙酯和溶剂二甲苯制备预混液，向预混液中加入1.2g/100ml的过氧化二苯甲酰并搅拌均匀；将干燥的混合粉加入到预混液中，同时滴加2％的油酸并搅拌均匀，形成浆料；向浆料中添加0.15％的二甲基苯胺并添加氨水调节PH为7；用抽真空法除去气泡后将坯体放入真空烧结炉中进行脱胶和最终烧结，工艺为：在600℃保温2.5h进行脱胶，在1450℃保温1h进行最终烧结；最后随炉冷却得到钢结硬质合金零件。

Claims (10)

1.一种复合塑料钢基钢结硬质合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按照比例称量40～50％复合硬质合金粉和40～55％塑料钢基体粉，0.1～0.3％稀土金属粉末，0.2～1.0％FeSiMgRe，0.4～0.8％石墨粉，8～12％羰基铁粉，将上述粉末放入球磨机中进行混合及破碎，其中添加有机液体为过程控制剂，将混合粉放入真空干燥箱中进行干燥，干燥后备用；
把有机单体和引发剂加入到溶剂中制备预混液；
将干燥的混合粉加入到预混液中并搅拌均匀，在搅拌过程中加入体积百分数为浆料的1～3％的油酸，以提高浆料流动性和分散性；
加入催化剂和pH调节剂并搅拌均匀，得到浆料；将浆料注入注凝模具并用抽真空或震动法除气泡，浆料固化成形，反应一定的时间后脱模，即得坯体；
将坯体放入真空干燥箱中干燥，将干燥后的坯体进行脱胶和最终的烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的塑料钢基体包括6Cr4W3MoVNb、6W6Mo5Cr4V、7Cr7Mo3V2Si、Cr4W2MoV、Cr5Mo1V、Cr6WV、Cr12MoV、Cr12W、Cr12Mo1V1中之一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的复合硬质合金粉为碳化钒粉、碳化钛粉、氮化钛粉和氮化钒粉，混合比例为(1.4～3.2)：(1.5～1.8)：(0.7～1.7)：(2.4～4)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的稀土粉末为Ce、Nb、Eu中的一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的有机液体为无水乙醇、环己烷、正己烷中的一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的有机单体为丙烯酸羟乙酯；溶剂为二甲苯；引发剂为过氧化二苯甲酰；其中有机单体和溶剂的体积比为1：2～2：1，每100ml预混液中引发剂的含量为0.8～1.7g。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合粉在浆料中的体积百分数为50～55％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为二甲基苯胺。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述pH调节剂为氨水，调节pH值为7～8。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱胶和烧结采用真空烧结炉进行一体化烧结，工艺为：坯体在600℃保温2～3h进行脱胶，在1400～1450℃保温1～2h进行最终烧结。
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