CN110144512B

CN110144512B - 铁基无磁硬质合金材料及其制备方法、应用

Info

Publication number: CN110144512B
Application number: CN201910408078.XA
Authority: CN
Inventors: 陈明
Original assignee: ZHUZHOU JINGGONG CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Current assignee: ZHUZHOU JINGGONG CEMENTED CARBIDE CO Ltd
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN110144512A

Abstract

本发明公开了一种铁基无磁硬质合金材料，以重量份计，包括以下组分：TiCN为80‑95份；Fe为5‑30份；Ni为2‑20份；Si为0.2‑20份；Al₂O₃为0.2‑20份；laB₆为0.2‑20份；Cr为0.5‑5份；Mo为0.5‑5份。本发明还相应提供一种上述铁基无磁硬质合金材料的制备方法和应用。本发明的硬质合金中可以不使用W，而采用Ti替代，Ti是一种储量丰富且相对廉价的金属，替代稀有的战略储备金属W，具有重要的经济与社会意义，同时，可以大大减少硬质合金材料的成本。

Description

铁基无磁硬质合金材料及其制备方法、应用

技术领域

本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种无磁硬质合金材料及其制备方法、应用。

背景技术

硬质合金作为工业的牙齿，广泛应用于切削工具、矿山工具及耐磨零件等国民经济的各个领域，是一种工业基础性的高科技材料。尤其是在模具行业，硬质合金模具的使用寿命与钢材比较，使用寿命可延长十倍甚至几十倍以上。在一些特殊材料的成型领域，如磁性材料的压制成型，又必须需要无磁硬质合金来制作相应的模具。

目前的无磁硬质合金材料基本上是由WC、Ni作为主要原材料，而W作为战略储备资源，一方面随着可采量的不断增长，资源消耗加快，资源的储量在逐步减少，另外一方面W的价格昂贵，模具生产成本高。因此，急需开发新型的无钨无磁硬质合金材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种无钨的铁基无磁硬质合金材料，并相应提供其制备方法和应用。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种铁基无磁硬质合金材料，以重量份计，包括以下组分：

TiCN 80-95份

Fe 5-30份

Ni 2-20份

Si 0.2-20份

Al₂O₃ 0.2-20份

LaB₆ 0.2-20份

Cr 0.5-5份

Mo 0.5-5份。

上述铁基无磁硬质合金材料中，优选的，所述铁基无磁硬质合金材料的密度为5.0-6.0g/cm³。

本发明中的铁基无磁硬质合金材料要保证不使用W时具有低密度、高强度、高韧性和优异的耐磨性，我们研究发现，本发明的铁基无磁硬质合金材料中的TiCN、Fe、Ni的含量对最终产品的性能有非常大的影响，优选的TiCN的用量为82-85份，Fe的用量为10-12.5份，Ni的用量为3-5份，更优选的TiCN、Fe、Ni之间的重量配比为83：10：5。上述优化后的配比得到的铁基无磁硬质合金材料的密度低、强度高、韧性高、耐磨性好，综合性能更加优异。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述铁基无磁硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料按比例混合后进行高能行星球磨，然后喷雾干燥、压制成型得到压胚体；

(2)将步骤(1)中得到的压胚体脱除成型剂(烧结脱除)，然后真空烧结即得到铁基无磁硬质合金材料。

上述制备方法中，优选的，高能行星球磨时，以酒精与聚乙二醇的混合物为球磨介质，酒精与聚乙二醇的体积比为(3-10)：1，球磨比为(5-8)：1，球磨时间为8-12h。

上述制备方法中，优选的，喷雾干燥时，干燥时间为0.5-2h，干燥温度为60-80℃，介质气体为氩气或氮气。

上述制备方法中，优选的，压制成型时控制压力为30-120T。

上述制备方法中，优选的，脱除成型剂时，控制烧结温度为450-550℃，保温时间为0.5-2h，气氛为氢气。

上述制备方法中，优选的，真空烧结时，烧结温度为1400-1500℃，保温时间为0.5-2h。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述铁基无磁硬质合金材料的应用，以所述铁基无磁硬质合金材料为基体制备多层涂层复合材料，制备过程包括以下步骤：

(1)清洗所述铁基无磁硬质合金材料，再对所述铁基无磁硬质合金材料进行电化学刻蚀得到电化学刻蚀基体；

(2)采用CVD法或液相浸渍法在电化学刻蚀基体表面涂覆涂层即得到多层涂层复合材料；涂层材料为TiN、W、TiCN、Cr、WC、CrC中的一种或多种。

上述应用中，优选的，所述清洗是指将铁基无磁硬质合金材料浸渍于浓度为2％的硫酸与 5％的硝酸中，浸渍时间为10-30min，再用酒精将表面清洗干净；电化学刻蚀时，控制电流密度为8-20A/dm²，电解时间为30-120min，电解液温度控制在60-90℃。

本发明中，TiCN作为硬质相，Fe和Ni作为粘结相，Si、Al₂O₃、Cr和Mo作为增强相，LaB₆的作用主要是除氧。其中部分增强相的加入有利于粘结相与硬质相结合力的提高及润湿性的提高，同时提高了材料的耐磨性能与强度，起到细化晶粒，强韧化材料性能等作用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明硬质合金材料为铁基复合材料，铁元素在一定条件下其居里点可以降到室温，从而实现由强磁性向无磁性的转变，同时，利用TiCN作为WC的替代材料，可大幅降低合金的比重，由通常的14.0-15.0g/cm³降至5.0-6.0g/cm³，既大量的节省了材料，又能实现合金材料的无磁性。

2、本发明的硬质合金中可以不使用W，而采用Ti替代，Ti是一种储量丰富且相对廉价的金属，替代稀有的战略储备金属W，具有重要的经济与社会意义，同时，可以大大减少硬质合金材料的成本。

3、本发明的硬质合金通过优化硬质相、粘结相和增强相之间的配比关系，各组分间相互协同作用，最终得到的硬质合金具有密度低、强度高、韧性高、耐磨性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中铁基无磁硬质合金的SEM图。

图2为实施例2中铁基无磁硬质合金的SEM图。

图3为实施例3中铁基无磁硬质合金的SEM图。

图4为实施例4中铁基无磁硬质合金的SEM图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种铁基无磁硬质合金材料，以质量百分比计，包括以下组分：

TiCN 89.4%

Fe 7%

Ni 2%

Si 0.2%

Al₂O₃ 0.2%

LaB₆ 0.2%

Cr 0.5%

Mo 0.5%。

上述铁基无磁硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料按比例混合后进行高能行星球磨，然后喷雾干燥、压制成型得到压胚体；高能行星球磨时，以酒精与聚乙二醇的混合物为球磨介质，酒精与聚乙二醇的体积比为10：1，球磨比为7：1，球磨时间为12h；喷雾干燥时，干燥时间为2h，干燥温度为70℃，介质气体为氩气或氮气；压制成型时控制压力为120T；

(2)将步骤(1)中得到的压胚体脱除成型剂，然后真空烧结即得到铁基无磁硬质合金材料；脱除成型剂时，控制烧结温度为550℃，保温时间为2h，气氛为氢气；真空烧结时，烧结温度为1400℃，保温时间为2h。

本实施例中制备得到的铁基无磁硬质合金的SEM图如图1所示。

经测试，本实施例中的铁基无磁硬质合金材料的性能如下：

密度:5.29g/cm³；

强度:2450N/mm²；

硬度:90HRA；

孔隙率:A02B00C00E00；

韧性：10.2MPam^1/2。

本实施例还提供一种利用上述铁基无磁硬质合金材料为基体的多层涂层复合材料，多层涂层复合材料的制备过程包括以下步骤：

(1)将铁基无磁硬质合金材料浸渍于浓度为2％的硫酸与5％的硝酸中，浸渍时间为 20min，再用酒精将表面清洗干净；

(2)再对铁基无磁硬质合金材料进行电化学刻蚀得到电化学刻蚀基体；电化学刻蚀时，控制电流密度为10A/dm²，电解时间为50min，电解液温度控制在80℃；

(3)采用CVD法在电化学刻蚀基体表面涂覆涂层即得到多层涂层复合材料。

本实施例中，由于基体经电腐刻蚀，形成微观不平面，大大增加了基体与涂层之间的结合表面积，提高了涂层与基体的结合力。

实施例2：

LaB6 0.2%

Cr 0.5%

Mo 0.5%。

上述铁基无磁硬质合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料按比例混合后进行高能行星球磨，然后喷雾干燥、压制成型得到压胚体；高能行星球磨时，以酒精与聚乙二醇的混合物为球磨介质，酒精与聚乙二醇的体积比为6：1，球磨比为8：1，球磨时间为10h；喷雾干燥时，干燥时间为0.5h，干燥温度为80℃，介质气体为氩气或氮气；压制成型时控制压力为100T；

(2)将步骤(1)中得到的压胚体脱除成型剂，然后真空烧结即得到铁基无磁硬质合金材料；脱除成型剂时，控制烧结温度为550℃，保温时间为1h，气氛为氢气；真空烧结时，烧结温度为1500℃，保温时间为2h。

本实施例中制备得到的铁基无磁硬质合金的SEM图如图2所示。

经测试，本实施例中的铁基无磁硬质合金材料的性能如下：

密度:5.46g/cm³；

强度:2680N/mm²；

硬度:88.0HRA；

孔隙率:A02B00C00E00；

韧性：14.3MPam^1/2。

实施例3:

TiCN 80.0%

Fe 13.4%

Ni 5.0%

Si 0.2%

Al₂O₃ 0.2%

LaB₆ 0.2%

Cr 0.5%

Mo 0.5%。

上述铁基无磁硬质合金材料的制备方法同实施例2。

本实施例中制备得到的铁基无磁硬质合金的SEM图如图3所示。

经测试，本实施例中的铁基无磁硬质合金材料的性能如下：

密度:5.55g/cm³；

强度:2460N/mm²；

硬度:84.0HRA；

孔隙率:A02B00C00E00；

韧性：17.2MPam^1/2。

实施例4：

TiCN 83%

Fe 10%

Ni 5%

Si 0.3%

Al₂O₃ 0.3%

LaB₆ 0.2%

Cr 0.6%

Mo 0.6%。

上述铁基无磁硬质合金材料的制备方法同实施例1。

本实施例中制备得到的铁基无磁硬质合金的SEM图如图4所示。

经测试，本实施例中的铁基无磁硬质合金材料的性能如下：

密度:5.20g/cm³；

强度:2830N/mm²；

硬度:87.5HRA；

孔隙率:A02B00C00E00；

韧性：16.3MPam^1/2。

Claims

1.一种铁基无磁硬质合金材料，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：

TiCN 82-85份；

Fe 10-12.5份；

Ni 3-5份；

Si 0.2-20份；

Al₂O₃ 0.2-20份；

LaB₆ 0.2-20份；

Cr 0.5-5份；

Mo 0.5-5份；

且所述铁基无磁硬质合金材料不含W；

所述铁基无磁硬质合金材料的密度为5.0-6.0g/cm³。

2.一种如权利要求1所述的铁基无磁硬质合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将原料按比例混合后进行高能行星球磨，然后喷雾干燥、压制成型得到压胚体；

（2）将步骤（1）中得到的压胚体脱除成型剂，然后真空烧结即得到铁基无磁硬质合金材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，高能行星球磨时，以酒精与聚乙二醇的混合物为球磨介质，酒精与聚乙二醇的体积比为（3-10）：1，球磨比为（5-8）：1，球磨时间为8-12h。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，喷雾干燥时，干燥时间为0.5-2h，干燥温度为60-80℃，介质气体为氩气或氮气。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，压制成型时控制压力为30-120T。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，脱除成型剂时，控制烧结温度为450-550℃，保温时间为0.5-2h，气氛为氢气。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，真空烧结时，烧结温度为1400-1500℃，保温时间为0.5-2h。

8.一种如权利要求1所述的或如权利要求2-7中任一项所述的制备方法得到的铁基无磁硬质合金材料的应用，以所述铁基无磁硬质合金材料为基体制备多层涂层复合材料，制备过程包括以下步骤：

（1）清洗所述铁基无磁硬质合金材料，再对所述铁基无磁硬质合金材料进行电化学刻蚀得到电化学刻蚀基体；

（2）采用CVD法或液相浸渍法在电化学刻蚀基体表面涂覆涂层即得到多层涂层复合材料。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述清洗是指将铁基无磁硬质合金材料浸渍于浓度为2%的硫酸与5%的硝酸中，浸渍时间为10-30min，再用酒精将表面清洗干净；电化学刻蚀时，控制电流密度为8-20A/dm²，电解时间为30-120min，电解液温度控制在60-90℃。