CN109536812A - 钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，按质量份数计，包括以下组分，TiC 35～40份，WC 17～27份，NbC 0.5～0.9份，TaC 0.8～1.5份，Ni 10～15份，Cu 6～8份，Fe 5～8份，Cr 5～8份，Y 0.2～0.5份。本发明提供的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料及其制备方法通过选用WC、TiC作为金属陶瓷刀头的主要硬质相，同时采用Cu、铁等作为粘结剂，有利于形成W‑C‑Ti共晶合金，采用本发明的金属陶瓷刀头材料制备的刀头在工作温度达到1200℃时仍能够保持良好的力学性能，良好满足对钢水出口扩孔的工作要求。
Description
技术领域
本发明涉及硬质合金材料领域，特别是涉及一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料及其制备方法。
背景技术
钢铁生产过程中，必然存在钢水倾倒的工艺步骤。执行时，通常需要把转炉逐渐倾斜到45°甚至以上，让钢水在重力作用下从出钢水口中流出到预定位置或部件当中。出钢水口是用高强耐火材料压制的，每出一次钢水都受到钢水的高温冲刷和化学腐蚀，出水口的孔会不断地无规则扩大，据实际数据显示，每出80～120次钢水，钢水出口的内孔就由原来的φ150变成约φ200。如继续使用，就无法实现钢水出水口的排渣功能，进而严重影响钢水的质量。因此，此时就必须在拆炉机上装上扩孔器，将废水口拆除，更换新的钢水出口。为此，炼钢厂中的钢水出口扩孔器也是一项不可或缺的设备或刀具。现有的出钢水口存在以下特点：⑴炼钢温度高：转炉大多炼制特种合金钢，温度在1530—1670℃左右，对扩孔器刀头的红硬性要求很高；⑵炉壁厚，行程长：大型转炉炉壁多在1600mm—2200mm范围内，即扩孔器在高温下的工作行程在2米左右，因此对扩孔器刀头的性能提出了更高要求；⑶出钢水口耐火材料成份及加工方法存在变化：原水口的耐火材料除氧化镁和石墨碳质外，现在又添加了三氧化二铝、碳化硅、氮化硼、金属Cr等难溶化合物，同时加工方法由原来普通压制改为等静压。水口的密度、强度、硬度都提高了，从而给扩孔器刀头的耐磨性能都提出了更高的要求。现有的刀头采用合金工具钢，都不能适应大型转炉扩孔器在1000～1200℃高温的恶劣工作环境中的技术要求。
发明内容
基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料及其制备方法。
一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，按质量份数计，包括以下组分，
TiC 35～40份，WC 17～27份，NbC 0.5～0.9份，TaC 0.8～1.5份，Ni 10～15份，Cu6～8份，Fe 5～8份，Cr 5～8份，Y 0.2～0.5份。
在其中一个实施例中，所述Cu采用铜粉，粒度为600～800目；所述Fe采用铁粉，粒度为600～800目。
在其中一个实施例中，所述钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料中还添加有Ir0.05～0.1份。
本发明相应提供了一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料制备方法，包括下列步骤：
将TiC、WC、NbC、TaC球磨至粒度为1000～1200目；将Ni、Co、Mo、Cr、Y球磨至粒度为1200目～1600目；将球磨完成的物料混合形成第一混合物料，对所述第一混合物料进行干燥，干燥温度为150℃；
将所述第一混合物料加热至900℃，保温1小时，加入铜粉到所述第一混合物料中形成第二混合物料；
将所述第二混合物料加热至1200℃，保温1小时，加入铁粉到所述第二混合物料中，混合后形成第三混合物料；
将所述第三混合物料压制成型，得半成品；
针对所述半成品进行真空加压烧结，得钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料。
在其中一个实施例中，所述将所述第三混合物料压制成型的步骤中，压制压力为100～200MPa，压制温度为800～950℃。
在其中一个实施例中，所述针对所述半成品进行真空加压烧结的步骤中，所述真空度为-0.05MPa～-0.1MPa，烧结温度为1350℃～1450℃。
本发明提供的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料及其制备方法通过选用WC、TiC作为金属陶瓷刀头的主要硬质相，同时采用Cu、铁等作为粘结剂，有利于形成W-C-Ti共晶合金，采用本发明的金属陶瓷刀头材料制备的刀头在工作温度达到1200℃时仍能够保持良好的力学性能，良好满足对钢水出口扩孔的工作要求。
附图说明
图1为本发明一实施例中钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料制备方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，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。
本发明一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，按质量份数计，包括以下组分，
TiC 35～40份，WC 17～27份，NbC 0.5～0.9份，TaC 0.8～1.5份，Ni 10～15份，Cu6～8份，Fe 5～8份，Cr 5～8份，Y 0.2～0.5份。
优选的，其中Cu采用铜粉，粒度为600～800目，而Fe采用铁粉，粒度为600～800目。
优选的，钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料中还添加有Ir 0.05～0.1份。由于铱的价格较贵，可少量添加。铱可增加材料的高温稳定性，进一步提高材料在高温下的塑性。
本发明选用Co、Ni、Mo、Cr、Cu、Fe六种金属元素以形成本发明材料的粘结相，主要是基于如下几点要求：
①选用Co相，因为WC、TiC、TaC、NbC等难溶金属碳化物在Co相中的湿润角为最大，特别是在含C条件下Co相在1000℃左右开始了出现液相，在1400℃左右这些难溶金属碳化物能充分实现在Co溶液中溶解析出过程，从而达到多金属原子之间充分共晶。
②少量增加Ni相和Cr相，是为了提高金属陶瓷刀头在1000℃以上高温下确保刀头的抗氧化、耐腐蚀性能，保持金属陶瓷刀头在1000℃高温时，表面不过快氧化和良好的机械物理性能；
③Mo相，在含C氛围中少量Mo相在1350℃以上完全溶解到Co相中，并在金属陶瓷的快速冷却过程中来不及析出而与Co相、Ni相、Cr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Co相和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下的恒韧性，得以保持金属陶瓷刀头在1000℃～1200℃高温下应有的强度和硬度。
④Cu相，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，因而在工作时能够在工作面上形成润滑层，提高刀具的通过性。
⑤Fe相，相较于Ni，Fe的价格更为低廉，并且在高硬高熔点材料中同样具有良好的相容性，为共晶合金晶粒的形成提供充分的非自发晶核，从而能够提高共晶合金的细晶粒化，提升金属陶瓷刀头材料的高温稳定性、韧性和使用寿命。
WC、TiC为金属陶瓷刀头的主要硬质相，在金属陶瓷刀头材料中最好以W-C-Ti共晶合金的状态存在，此种共晶合金的共晶温度比单纯的W—Co共晶合金共晶温度高出150℃左右，因而具有更加优良的耐高温性能。其形成有赖于温度、压力和添加剂。
TiC的熔点3250℃(高于WC，2630℃)，密度只有WC的1/3。由于TiC具有相较于WC更优的性能，因此选用碳化钛为主要比例的硬质相。另外碳化钛的抗氧化性能优于碳化钨，而且同样能被Co润湿。以TiC为主要原料，对于提高产品的红硬性和耐磨性，将使用温度提高到1000-1200℃，具有重要意义。但WC-TiC有一个范围相当宽的碳量均相区，加入TiC后，产品的抗弯强度，抗压强度有所降低。为此采用Co、Ni、Mo、Cr、Cu和Fe六种元素为粘结相，以Y和/或铱元素为添加剂，可以有效提高产品的强度，满足2400-2600(N/mm2)的要求，使产品既达到耐高温、耐磨的良好性能，又保持了较高的强度和韧性。
本发明选用TaC、NbC作为少量硬质相，需要将TaC、NbC在金属陶瓷制造过程中比WC、TiC更提前地溶入粘结相的相液中，并持续保持一定的饱和度，从而抑制WC、TiC等硬质相在粘结相中的溶解和析出，控制WC、TiC硬质相在共晶过程中不出现晶粒异常生长，保持金属陶瓷刀头的晶粒均匀性，保持其高硬度要求。
同时，TaC特别是NbC在金属陶瓷制造过程中，因其特有的个性，在一定程度上提高了W—Co—Ti共晶温度，无形中又提高了金属陶瓷高温下的恒韧性。
添加剂Y元素，在金属陶瓷过程中极少量地添加金属钇粉，主要是因为本发明的金属陶瓷材料使用混合粘结相元素较多，钇粉能促进多种粘结相均匀固熔，并改变整个金属陶瓷的晶格常数，保持金属陶瓷晶粒均匀、充分共晶。
本发明相应提供了一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料制备方法，包括下列步骤：
步骤S100：将TiC、WC、NbC、TaC球磨至粒度为1000～1200目；将Ni、Co、Mo、Cr、Y球磨至粒度为1200目～1600目；将球磨完成的物料混合形成第一混合物料，对所述第一混合物料进行干燥，干燥温度为150℃。
步骤S200：将所述第一混合物料加热至900℃，保温1小时，加入铜粉到所述第一混合物料中形成第二混合物料。
步骤S300：将所述第二混合物料加热至1200℃，保温1小时，加入铁粉到所述第二混合物料中，混合后形成第三混合物料。
步骤S400：将所述第三混合物料压制成型，得半成品。
步骤S500：针对所述半成品进行真空加压烧结，得钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料。
在其中一个实施例中，所述将所述第三混合物料压制成型的步骤中，压制压力为100～200MPa，压制温度为800～950℃。
在其中一个实施例中，所述针对所述半成品进行真空加压烧结的步骤中，所述真空度为-0.05MPa～-0.1MPa，烧结温度为1350℃～1450℃。
以下为具体实施例：
实施例1：
TiC 35份，WC 17份，NbC 0.5份，TaC 0.8份，Ni 10份，Cu 6份，Fe 5份，Cr 5份，Y0.2份。其中Cu采用600目铜粉，Fe采用600目铁粉。
将TiC、WC、NbC、TaC球磨至粒度为1000目，将Ni、Co、Mo、Y、Cr球磨至粒度为1200目。将球磨完成的物料混合形成第一混合物料，对第一混合物料进行干燥，干燥温度为150℃，干燥时间可为2小时，期间可同时对第一混合物料进行翻滚。
将第一混合物料加热至900℃，保温1小时，加入铜粉到第一混合物料中形成第二混合物料。将混合料加热到高温状态，再加入600目铜粉，能够使铜粉充分混合到第一混合物料当中，并且与第一混合物料中的各相结合更加紧密。再将第二混合物料加热至1200℃，保温1小时，接着加入600目铁粉到第二混合物料中，混合后形成第三混合物料。采用双向浮动压制-产品干燥，即得到半成品，其中双向浮动压制是采用315吨压力机，压力为100MPa，压制温度在800℃，可利用前一步骤中的余温进行半成品压制，干燥时间为2h，干燥温度为300℃。
最后进行真空烧结，针对半成品进行真空加压烧结，得钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料。其中真空度为-0.05MPa，烧结温度为1350℃，压力为2个大气压。
经检测，在1200℃左右，实施例1中制备的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料的物理机械性能如下：
硬度HRA 88.1-86.5，抗弯强度2200-2400N/mm2，密度9.01～9.13g/cm3。
实施例2：
TiC 38份，WC 22份，NbC 0.7份，TaC 1.2份，Ni 13份，Cu 7份，Fe 7份，Cr 7份，Y0.3份。
将TiC、WC、NbC、TaC球磨至粒度为1200目，将Ni、Co、Mo、Y、Cr球磨至粒度为1500目。将球磨完成的物料混合形成第一混合物料，对第一混合物料进行干燥，干燥温度为150℃，干燥时间可为2小时，期间可同时对第一混合物料进行翻滚处理。
将第一混合物料加热至900℃，保温1小时，加入700目铜粉到第一混合物料中形成第二混合物料。将混合料加热到高温状态，再加入铜粉，能够使铜粉充分混合到第一混合物料当中，并且与第一混合物料中的各相结合更加紧密。再将第二混合物料加热至1200℃，保温1小时，接着加入700目铁粉到第二混合物料中，混合后形成第三混合物料。采用双向浮动压制-产品干燥，即得到半成品，其中双向浮动压制是采用315吨压力机，压力为200MPa，压制温度在950℃，可利用前一步骤中的余温进行半成品压制，干燥时间为2h，干燥温度为300℃。
最后进行真空烧结，针对半成品进行真空加压烧结，得钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料。其中真空度为-0.08MPa，烧结温度为1400℃，压力为2个大气压。
经检测，在1200℃左右，实施例2中制备的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料的物理机械性能如下：
硬度HRA92.5-93.7，抗弯强度2500-2550N/mm2，密度9.1～9.3g/cm3。
实施例3：
TiC 40份，WC27份，NbC0.9份，TaC 1.5份，Ni 15份，Cu8份，Fe 8份，Cr8份，Y 0.5份，Ir 0.05份。
将TiC、WC、NbC、TaC、Ir球磨至粒度为1200目，将Ni、Co、Mo、Y、Cr球磨至粒度为1600目。将球磨完成的物料混合形成第一混合物料，对第一混合物料进行干燥，干燥温度为150℃，干燥时间可为2小时，期间可同时对第一混合物料进行翻滚处理。
将第一混合物料加热至900℃，保温1小时，加入800目铜粉到第一混合物料中形成第二混合物料。将混合料加热到高温状态，再加入铜粉，能够使铜粉充分混合到第一混合物料当中，并且与第一混合物料中的各相结合更加紧密。再将第二混合物料加热至1200℃，保温1小时，接着加入800目铁粉到第二混合物料中，混合后形成第三混合物料。采用双向浮动压制-产品干燥，即得到半成品，其中双向浮动压制是采用315吨压力机，压力为200MPa，压制温度在950℃，可利用前一步骤中的余温进行半成品压制，干燥时间为2h，干燥温度为300℃。
最后进行真空烧结，针对半成品进行真空加压烧结，得钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料。其中真空度为-0.1MPa，烧结温度为1450℃，压力为2个大气压。
经检测，在1200℃左右，实施例3中制备的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料的物理机械性能如下：
硬度HRA 89.5-90.5，抗弯强度2300-2500N/mm2，密度9.3～9.36g/cm3。
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 (6)
1.一种钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，其特征在于，按质量份数计，包括以下组分，
TiC 35～40份，WC 17～27份，NbC 0.5～0.9份，TaC 0.8～1.5份，Ni 10～15份，Cu 6～8份，Fe 5～8份，Cr 5～8份，Y 0.2～0.5份。
2.根据权利要求1所述的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，其特征在于，所述Cu采用铜粉，粒度为600～800目；所述Fe采用铁粉，粒度为600～800目。
3.根据权利要求1所述的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，其特征在于，所述钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料中还添加有Ir 0.05～0.1份。
4.一种钢水出口扩孔器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1～3任一所述的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料，包括下列步骤：
将TiC、WC、NbC、TaC球磨至粒度为1000～1200目；将Ni、Co、Mo、Cr、Y球磨至粒度为1200目～1600目；将球磨完成的物料混合形成第一混合物料，对所述第一混合物料进行干燥，干燥温度为150℃；
将所述第一混合物料加热至1000℃，保温1小时，将Cu球磨至粒度为600～800目后加入到所述第一混合物料中形成第二混合物料；
将所述第二混合物料加热至1200℃，保温1小时，将Fe球磨至粒度为600～800目后加入到所述第二混合物料中，混合后形成第三混合物料；
将所述第三混合物料压制成型，得半成品；
针对所述半成品进行真空加压烧结，得钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料。
5.根据权利要求4所述的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料制备方法，其特征在于，所述将所述第三混合物料压制成型的步骤中，压制压力为100～200MPa，压制温度为800～950℃。
6.根据权利要求4所述的钢水出口扩孔器金属陶瓷刀头材料制备方法，其特征在于，所述针对所述半成品进行真空加压烧结的步骤中，所述真空度为-0.05MPa～-0.1MPa，烧结温度为1350℃～1450℃。
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