CN109898004A - 一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金及制备方法和应用 - Google Patents

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李国平
郭丽波
陈文�
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Abstract

本发明公开了一种高强韧碳化钛‑高锰钢结硬质合金及制备方法,以碳化钛粉末为硬质相、水雾化铁钼预合金粉黏结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂等,在保护介质经过球磨得到极细的混合粉末,粉末经二次还原以降低含氧量,然后经成形、真空烧结、热处理等工序,得到钢结硬质合金产品。本发明采用这种材料和工艺制备的工具钢钢结硬质合金具有优异的综合性能;在硬度为HRC63~64的基础上,抗弯强度达到2400~2500MPa、冲击韧性为10~11 J/cm2,强度和韧性比常规的TM52提高20%以上。

Description

一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金及制备方法和应用
技术领域
本发明属于合金制备技术领域,尤其涉及一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金及制备方法。
背景技术
目前,钢结硬质合金是由一种或多种碳化物(如TiC、WC、TaC、NbC等)作硬质相,用高速钢或合金钢作黏结剂,采用粉末冶金工艺制造的。它实际上是在硬质合金基础上发展起来的一种新型硬质合金。碳化物相赋予合金良好的耐磨性,黏结相提供强度和韧性以及可热处理、可切削加工性、可锻性和可焊性等工艺性能,因此,钢结硬质合金广泛用于制作各种模具、刀具和耐热、耐蚀零部件等。
众所周知,传统钢结硬质合金的强韧性仍较低,其抗弯强度一般不大于2500MPa、冲击韧性不大于15 J/cm2,还属于脆性材料,在模具上主要用于制造承受静载荷和低负荷的动模,而在冲击力较大,冲击速度较高的场合,如在金属矿山、地质勘探等行业使用的耐冲击硬质破碎零部件,一般钢结硬质合金难以满足要求,目前,一般还是采用硬质合金,对于钢结硬质合金在这些行业的使用一直非常慎重,开发高强韧钢结硬质合金作为硬质合金的替代产品,扩大钢结硬质合金的应用范围很有必要。
以WC 为硬质相的钢结硬质合金,由于铁族金属对其润湿性好,在烧结及热处理过程中容易实现合金化,所以是制备高强韧钢结硬质合金的主要方向。可能是由于资源的原因国外对WC 钢结硬质合金的分析报道不多,国内的分析和报道很多,应用也比较广泛。而对于TiC为硬质相的钢结硬质合金,由于硬质相与金属的润湿性较差,其开发和应用一直受到限制。
与WC相比,TiC具有更高的硬度(WC的HV为2400左右,而TiC的HV为3200),熔点高(WC为2720℃,TiC为3150℃),密度低,仅为WC的三分之一左右(WC的为15.7g/cm3,TiC为4.92g/cm3)。并且TiC颗粒呈圆形,具有热力学稳定性,在钢中溶解度很小,其溶解析出小,因此烧结过程中晶粒长大的倾向小,是一种比较理想的硬质相材料。所以说,TiC的性能要优于WC,之所以制造的合金的性能较低,主要是TiC与黏结相的结合强度较低,而不是TiC本身存在问题。
因此,改善TiC与黏结相之间的润湿性是一直值得深入分析的难题。
为了改善碳化钛与金属黏结相的润湿性,在合金中加入一些改善润湿性的元素是必要的。其中,钼是一种有效的改善湿润性的金属元素,这在硬质合金、钢结硬质合金、金属/陶瓷的分析与生产中应用非常普遍。特别是当合金中含有碳化钛(碳氮化钛)为硬质相时,钼更是黏结剂中必须的用来改善润湿性的金属元素。实际上,钼在金属陶瓷烧结中的作用可以分为两种情况,(1)在含钴的合金中,由于钴对硬质相(无论是WC还是TiC,以及其他一些硬质相)的润湿性要好于铁、镍、钼等其他金属粘结剂,不需要用钼来改善对硬质相的润湿性。在这类合金中,钼的主要作用是细化晶粒。当硬质颗粒表面生成含钼的固溶体后,既防止硬质相聚集形式的晶粒长大,又延缓了硬质相以溶解-析出形式的再结晶长大。(2)当烧结合金中不含钴时,钼的主要作用是在硬质相颗粒表面形成固溶体以改善硬质相和金属粘结剂的润湿性,促进烧结致密化,也在一定程度上起到了细化晶粒的作用。但是,有些分析认为,合金中加入钼元素后在烧结后的硬质相表面形成含钼的复式碳化物,增加了合金的脆性,所以不主张采用钼元素。在不含钼的金属陶瓷材料中,其力学性能较低,抗弯强度仅为1100MPa,或者没有进行检验。这显然不能用于重载、冲击的应用场合。
在硬质合金和钢结硬质合金生产中,钼一般是以纯钼粉和碳化钼的形式加入的。至于哪一种加入方式更好,也存在争议。S. Q. Zhou等认为,在生产Ti(C,N)金属陶瓷时,纯钼粉的加入方式比以碳化钼的加入方式要好。对于不同的合金材料,钼的加入量不同,大部分是通过实验来确定,过多的钼或碳化钼的加入量对合金的性能会有不利影响。
从以往的分析可以看出,在烧结钢结硬质合金时,钼是以纯钼粉或者是碳化钼的形式加入的,还没有采用铁钼预合金化粉末的加入形式。在不含钼的金属陶瓷材料中,其力学性能较低,抗弯强度仅为1100MPa,或者没有进行检验,不能用于重载、冲击的应用场合。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金及制备方法。
本发明的技术方案是:
一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,所述高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法包括以下步骤:
S1、以碳化钛粉末为硬质相,铁钼预合金粉为粘结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂;其中,碳化钛粉末为的重量份100-200份,铁钼预合金粉50-80份,镍2-10份,锰15-30份,碳10-20份,抑制剂10-15份,所述的抑制剂为VC或Cr3C2
S2、将步骤S1的组分混合均匀后,通入二氧化碳保护气体后进行湿磨,经过湿磨得到混合粉末;所述湿磨以酒精为湿磨介质,液固比为200~300ml/kg,球磨速度300~500r/min,球磨时间60~184h;
S3、对混合粉末进行还原,,一次还原温度控制在150~200 ℃,反应时间1~1.5小时,反应的环境气氛为TiH2气氛,二次还原温度控制在550~1000℃,反应时间2~4小时,反应的环境气氛为氨气或氢气气氛;
S4、对混合粉末进行成型处理;
S5、烧结;
S6、热处理;
S7、得到钢结硬质合金产品。
所述的步骤S4具体为:将挤压模具和挤压筒进行加热,挤压筒加热至3200℃~4000℃,挤压模具加热至3200℃~4000℃,随后将挤压模具装入挤压筒内;将混合粉末送入挤压机内进行挤压成型。
所述的步骤S5具体为:在真空炉中1000~1500℃高温烧结1~3h,随后,真空炉的温度调整为165-180℃,保温时间为7-10h,空冷。
所述的步骤S6具体为:在300±20℃的温度下,进行回火处理。
利用强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法制备的强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金。
所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金制备的模具。
所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金制备的刀具。
所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金制备的耐热、耐蚀零部件。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:
本发明以碳化钛粉末为硬质相、水雾化的铁钼预合金粉黏结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂等,在保护介质经过球磨得到极细的混合粉末,粉末经二次还原以降低含氧量,然后经模压+冷等静压成形、真空烧结、热处理等工序,得到钢结硬质合金产品。采用这种材料和工艺制备的工具钢钢结硬质合金具有优异的综合性能。
烧结合金黏在硬度为HRC63~64的基础上,抗弯强度达到2400~2500MPa、冲击韧性为10~11 J/cm2,强度和韧性比常规的TM52提高20%以上。
混合粉末的二次还原工艺,球磨后的混合粉末含氧量较高,会严重影响硬质相和黏结相之间的润湿性,有可能造成烧结失败。在氨气或纯氢气保护气氛中进行二次还原,以降低球磨混合粉的氧含量,是制备高强韧钢结硬质合金的关键工艺之一。在混合粉中加入部分TiH2,受热分解后释放出活性H原子,可以还原纯氢难以还原的铬、锰的氧化物,进一步降低氧含量。
材料制备的主要工艺是冷等静压成形+低压烧结,大大减少了材料内部的裂纹、分层、应力集中等缺陷,保证了烧结材料的致密性和力学性能。
借鉴不均匀结构的硬质合金的生产工艺和思路,即硬质相粗细颗粒搭配使用。根据此工艺,分析制备不均匀性结构钢结硬质合金的可行性。其中,细颗粒硬质相提供高硬度和耐磨性,粗颗粒硬质相提供耐冲击性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1:一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,所述高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法包括以下步骤:
S1、以碳化钛粉末为硬质相,铁钼预合金粉为粘结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂;其中,碳化钛粉末为的重量份100份,铁钼预合金粉50份,镍2-10份,锰15份,碳10份,抑制剂10份,所述的抑制剂为VC;
S2、将步骤S1的组分混合均匀后,通入二氧化碳保护气体后进行湿磨,经过湿磨得到混合粉末;所述湿磨以酒精为湿磨介质,液固比为200/kg,球磨速度300r/min,球磨时间60h;
S3、对混合粉末进行还原,,一次还原温度控制在150 ℃,反应时间1小时,反应的环境气氛为TiH2气氛,二次还原温度控制在550℃,反应时间2小时,反应的环境气氛为氨气或氢气气氛;
S4、对混合粉末进行成型处理;
S5、烧结;
S6、热处理;
S7、得到钢结硬质合金产品。
所述的步骤S4具体为:将挤压模具和挤压筒进行加热,挤压筒加热至3200℃,挤压模具加热至3200℃,随后将挤压模具装入挤压筒内;将混合粉末送入挤压机内进行挤压成型。
所述的步骤S5具体为:在真空炉中1000℃高温烧结1h,随后,真空炉的温度调整为165℃,保温时间为7h,空冷。
所述的步骤S6具体为:在280℃的温度下,进行回火处理。
利用强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法制备的强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金。可以将所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金用于模具、刀具以及耐热耐腐蚀零部件的加工。
实施例2:一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,所述高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法包括以下步骤:
S1、以碳化钛粉末为硬质相,铁钼预合金粉为粘结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂;其中,碳化钛粉末为的重量份150份,铁钼预合金粉60份,镍6份,锰18份,碳15份,抑制剂12份,所述的抑制剂为Cr3C2
S2、将步骤S1的组分混合均匀后,通入二氧化碳保护气体后进行湿磨,经过湿磨得到混合粉末;所述湿磨以酒精为湿磨介质,液固比为150ml/kg,球磨速度400r/min,球磨时间100h;
S3、对混合粉末进行还原,,一次还原温度控制在180 ℃,反应时间1.2小时,反应的环境气氛为TiH2气氛,二次还原温度控制在800℃,反应时间3小时,反应的环境气氛为氨气或氢气气氛;
S4、对混合粉末进行成型处理;
S5、烧结;
S6、热处理;
S7、得到钢结硬质合金产品。
所述的步骤S4具体为:将挤压模具和挤压筒进行加热,挤压筒加热至3500℃,挤压模具加热至3500℃,随后将挤压模具装入挤压筒内;将混合粉末送入挤压机内进行挤压成型。
所述的步骤S5具体为:在真空炉中1200℃高温烧结2h,随后,真空炉的温度调整为170℃,保温时间为8h,空冷。
所述的步骤S6具体为:在300℃的温度下,进行回火处理。
实施例3:一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,所述高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法包括以下步骤:
S1、以碳化钛粉末为硬质相,铁钼预合金粉为粘结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂;其中,碳化钛粉末为的重量份200份,铁钼预合金粉80份,镍10份,锰30份,碳20份,抑制剂15份,所述的抑制剂为VC;
S2、将步骤S1的组分混合均匀后,通入二氧化碳保护气体后进行湿磨,经过湿磨得到混合粉末;所述湿磨以酒精为湿磨介质,液固比为300ml/kg,球磨速度500r/min,球磨时间184h;
S3、对混合粉末进行还原,,一次还原温度控制在200 ℃,反应时间1.5小时,反应的环境气氛为TiH2气氛,二次还原温度控制在1000℃,反应时间4小时,反应的环境气氛为氨气或氢气气氛;
S4、对混合粉末进行成型处理;
S5、烧结;
S6、热处理;
S7、得到钢结硬质合金产品。
所述的步骤S4具体为:将挤压模具和挤压筒进行加热,挤压筒加热至4000℃,挤压模具加热至4000℃,随后将挤压模具装入挤压筒内;将混合粉末送入挤压机内进行挤压成型。
所述的步骤S5具体为:在真空炉中1500℃高温烧结3h,随后,真空炉的温度调整为180℃,保温时间为10h,空冷。
所述的步骤S6具体为:在320℃的温度下,进行回火处理。
实施例效果数据如下(参见表1):
抗拉强度 冲击韧性 可锻性
实施例1 2400MPa 11
实施例2 2426MPa 11
实施例3 2500MPa 11
表1
本发明主要解决高强韧碳化钛高锰钢结硬质合金的制备工艺,在硬度为HRC63~64的基础上,抗弯强度达到2400~2500MPa、冲击韧性为10~11 J/cm2,强度和韧性比常规的TM52合金均提高20%以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,其特征在于,所述高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法包括以下步骤:
S1、以碳化钛粉末为硬质相,铁钼预合金粉为粘结剂,同时加入镍、锰、碳、抑制剂;其中,碳化钛粉末为的重量份100-200份,铁钼预合金粉50-80份,镍2-10份,锰15-30份,碳10-20份,抑制剂10-15份,所述的抑制剂为VC或Cr3C2
S2、将步骤S1的组分混合均匀后,通入二氧化碳保护气体后进行湿磨,经过湿磨得到混合粉末;所述湿磨以酒精为湿磨介质,液固比为200~300ml/kg,球磨速度300~500r/min,球磨时间60~184h;
S3、对混合粉末进行还原,,一次还原温度控制在150~200 ℃,反应时间1~1.5小时,反应的环境气氛为TiH2气氛,二次还原温度控制在550~1000℃,反应时间2~4小时,反应的环境气氛为氨气或氢气气氛;
S4、对混合粉末进行成型处理;
S5、烧结;
S6、热处理;
S7、得到钢结硬质合金产品。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,其特征在于,所述的步骤S4具体为:将挤压模具和挤压筒进行加热,挤压筒加热至3200℃~4000℃,挤压模具加热至3200℃~4000℃,随后将挤压模具装入挤压筒内;将混合粉末送入挤压机内进行挤压成型。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,其特征在于,所述的步骤S5具体为:在真空炉中1000~1500℃高温烧结1~3h,随后,真空炉的温度调整为165-180℃,保温时间为7-10h,空冷。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法,其特征在于,所述的步骤S6具体为:在300±20℃的温度下,进行回火处理。
5.一种利用权利要求1所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金的制备方法制备的强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金。
6.一种利用权利要求6所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金制备的模具。
7.一种利用权利要求6所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金制备的刀具。
8.一种利用权利要求6所述强韧碳化钛-高锰钢结硬质合金制备的耐热、耐蚀零部件。
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