CN110253011A - 一种适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金通过调整聚乙烯蜡，线性低密度聚乙烯，钴粉、镍粉、铁粉、铜粉、钨粉、二氧化硅、氧化锰的科学配比，先注塑成型料坯，然后真空高温高压成型，制备的硬质合金具有极好的耐温、耐磨及冲击韧性等特性。将聚乙烯蜡，线性低密度聚乙烯作为碳源加入，能充分和钨粉、钛粉结合，在高温阶段，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯会分解出碳原子与钨、硅发生反应，生成碳化钨、碳化硅，能解决适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的脆性大，韧性不足的问题。本发明的硬质合金制备方法简单易行，可方便用于大批量生产。

Description

一种适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金工艺，特别是硬质合金，更具体地，涉及一种适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金及其制备方法。
背景技术
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，被誉为“工业牙齿”，广泛用于刀具材料、机械加工、航空航天、高压高温试验等领域。国内市场上普遍应用的硬质合金硬度可达HRA86-93，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍保持高硬度，耐磨性较差。
传统硬质合金是以Co、Ni、Fe单质元素为粘结相、以WC为硬质相。随着使用温度的升高，特别是在400℃以上，Co、Ni、Fe单质元素为粘结相和WC硬质相开始发生氧化，导致传统硬质合金抗弯强度、硬度等性能显著降低，高温使用寿命也显著降低。
在碳素钢与合金钢加工时的常用硬质合金为刀具材料，加工时刀具与工件接触面，容易产生高温，常用的硬质合金红硬性低、高温抗氧化性差，易出现龟裂、塌块等情况而使用寿命短，易影响企业的生产效率和生产成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金及其制备方法，本发明的硬质合金将聚乙烯蜡，线性低密度聚乙烯，钴粉、镍粉、铁粉、铜粉、钨粉、二氧化硅、氧化锰的科学配比，先注塑成型料坯，然后真空高温高压成型，制备的硬质合金具有极好的耐温、耐磨及冲击韧性等特性。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
公开的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯30-75份、钴粉和铁粉15-30份，钨粉15-20份，镍粉3.0-5.0份，铜粉6.0-9.0份，二氧化硅3.0-5.0份，氧化锰0.1-0.3份，除渣剂、球化剂2.0-4.0份，成型剂5.0-8.0份；其中，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的质量比为1:2-4，钴粉和铁粉的质量比为1:1-2。
聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯在低温下主要起低温定型，混合作用，将各个组分均匀混合并粘结成块，与各颗粒均匀接触，在高温阶段，会分解出碳原子与钨、硅发生反应，生成碳化钨、碳化硅。
聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的分子链比较长，在无氧高温作用下，会沿分子链长度方向形成类碳纤维结构，当其与钨、硅等元素发生反应，生产碳化硅、碳化钨等晶体后，也会沿长链方向排列，从而形成链状取向，会显著提高材料的强度和切削能力，可用做刀具加工一些难加工材料。
钴粉、铁粉、镍粉、铜粉作为粘结剂，四者在不同温度阶段生成不同晶体(包括冷却速度)，相互协同作用，作为合金材料的连续相，铜粉的加入，能够提高材料的韧性和导热性，减少硬质合金在工作时的掉块、崩缺等现象，保证加工质量。为合金材料提供韧性、弯矩、剪切强度和团聚度。通过后期温度冷却曲线控制，可以控制钴和铁的晶体结构，达到控制材料强度的目的；得到的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金具有良好的韧性和强度，使用领域广泛。
由于各组分材料的结晶温度、晶体形状与结构等等均不相同，相互配合后，可以实现在不同温度下的协同作用，提高材料的综合性能。
进一步地，所述钴粉的粒径为0.5-1.5μm，所述铁粉的粒径为3.0-5.0μm，所述钨粉的粒径为2.0-5.0μm，所述镍粉的粒径为6.0-7.0μm，所述铜粉的纯度为超细铜粉，铜粉的粒径为1-100nm，所述二氧化硅的粒径为50-90nm，所述氧化锰的粒径为8-12μm。
本发明公开上述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)称取钴粉、铁粉、钨粉、镍粉、铜粉混合球磨，球磨后的混合粉末真空干燥过筛制得混合粉末一；
(2)将聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯加入无水乙醇中，水浴加热并不断搅拌至溶解，倒入步骤(1)制备的混合粉末一，持续水浴加热和搅拌至溶剂蒸发，形成粘稠料浆；
(3)将步骤(2)制得粘稠料浆和二氧化硅、氧化锰、除渣剂、球化剂、成型剂混合，置入注塑机进行注塑成型，得注塑坯；所述注塑机的注射温度为320-400℃、注射压力为80-120Mpa，模具温度为90-120℃；将料浆真空干燥、过筛，制得混合粉末二；
(4)将干燥好的混合粉末二放入捏合机中，保持温度130-150℃，密炼1.5-2.5h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到1400-1500℃，保持2-3h进行烧结；
(5)缓慢降温到1100-1200℃，保温1.0-1.5h，同时外加超声波作用，超声波强度2.2-3.5KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到800-900℃，保温1.2-1.5h；然后急速冷却到600-680℃，保温1.8-2.5h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
本发明的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法是按照原料的特性进行科学调整，将注塑成型和真空高温高压成型结合，能有效控制适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的各个原料的结合和晶体结构，得到综合性能优良的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金。
进一步地，所述步骤(1)的真空干燥的真空度为-0.5-0.3Pa，干燥温度为200～250℃。
进一步地，所述除渣剂主成分为二氧化硅和三氧化二铝，所述二氧化硅含量73％-75％，所述三氧化二铝含量15％-18％，余量为微量元素和杂质。
进一步地，所述成型剂为橡胶、聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯和聚乙二醇的任意一种。
进一步地，所述步骤(4)的烧结为阶段性升温，具体步骤为：
Y1.预热阶段：将温度升到500-550℃，升温速率为60-75℃/min，保温0.5-0.8min；
Y2.低温烧结阶段：将温度升到1000-1100℃，升温速率为110-130℃/min，保温2.0-2.5min；
Y3.高温烧结阶段：将温度升到1200-1300℃，升温速率为110-120℃/min，保温1.5-2.0min。
进一步地，所述烧结在氮气的保护气氛下进行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金通过调整聚乙烯蜡，线性低密度聚乙烯，钴粉、镍粉、铁粉、铜粉、钨粉、二氧化硅、氧化锰的配比，科学地将上述原料通过经过混合、注塑成型料坯、真空高温压制成型与烧结后，使硬质合金的强度与硬度得到提高，得到的制备的硬质合金具有极好的耐温、耐磨及冲击韧性等特性。
本发明的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金将聚乙烯蜡，线性低密度聚乙烯作为碳源加入，能充分和钨粉、钛粉结合，在高温阶段，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯会分解出碳原子与钨、硅发生反应，生成碳化钨、碳化硅，能解决适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的脆性大，韧性不足的问题。
本发明的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金制备方法简单易行，可方便用于大批量生产。
具体实施方式
以下结合说明书和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本实施例所用的原料和设备均为本技术领域常规市购的原料和设备。
实施例1
本实施例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯75份、钴粉和铁粉15份，钨粉20份，镍粉3.0份，铜粉6.0份，二氧化硅5.0份，氧化锰0.1份，除渣剂、球化剂4.0份，成型剂5.0份；其中，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的质量比为1:2，钴粉和铁粉的质量比为1:1。
其中，钴粉的粒径为0.5-1.5μm，铁粉的粒径为3.0-5.0μm，钨粉的粒径为2.0-5.0μm，镍粉的粒径为6.0-7.0μm，铜粉的纯度为超细铜粉，铜粉的粒径为1-100nm，二氧化硅的粒径为50-90nm，氧化锰的粒径为8-12μm。成型剂为橡胶。
本实施例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)称取钴粉、铁粉、钨粉、钛粉混合球磨，球磨后的混合粉末真空干燥过筛制得混合粉末一，真空干燥的真空度为-0.5-0Pa，干燥温度为200℃。
(2)将聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯加入无水乙醇中，水浴加热并不断搅拌至溶解，倒入步骤(1)制备的混合粉末一，持续水浴加热和搅拌至溶剂蒸发，形成粘稠料浆；
(3)将步骤(2)制得粘稠料浆和除渣剂、球化剂、成型剂混合，置入注塑机进行注塑成型，得注塑坯；注塑机的注射温度为320℃、注射压力为120Mpa，模具温度为90-100℃；将料浆真空干燥、过筛，制得混合粉末二；
(4)将干燥好的混合粉末二放入捏合机中，保持温度130-140℃，密炼1.5h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到1400-1500℃，保持2h进行烧结；
(5)缓慢降温到1100℃，保温1.5h，同时外加超声波作用，超声波强度2.2KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到900℃，保温1.5h；然后急速冷却到600℃，保温2.5h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
其中，除渣剂主成分为二氧化硅和三氧化二铝，二氧化硅含量73％-75％，所述三氧化二铝含量15％-18％，余量为微量元素和杂质。
烧结为阶段性升温，具体步骤为：
Y1.预热阶段：将温度升到500-550℃，升温速率为60-75℃/min，保温0.5-0.8min；
Y2.低温烧结阶段：将温度升到1000-1100℃，升温速率为110-130℃/min，保温2.0-2.5min；
Y3.高温烧结阶段：将温度升到1200-1300℃，升温速率为110-120℃/min，保温1.5-2.0min。
缓慢降温的冷却速度为8-10℃/min，快速冷却的冷却速度为20-30℃/min，急速冷却的冷却速度为40-50℃/min。
实施例2
本实施例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯30份、钴粉和铁粉30份，钨粉15份，镍粉5.0份，铜粉9.0份，二氧化硅3.0份，氧化锰0.3份，除渣剂、球化剂2.0份，成型剂8.0份；其中，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的质量比为1:4，钴粉和铁粉的质量比为1:2。其中上述原料的粒径与实施例1相同。
本实施例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)称取钴粉、铁粉、钨粉、钛粉混合球磨，球磨后的混合粉末真空干燥过筛制得混合粉末一，真空干燥的真空度为0-0.3Pa，干燥温度为250℃。
(2)将聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯加入无水乙醇中，水浴加热并不断搅拌至溶解，倒入步骤(1)制备的混合粉末一，持续水浴加热和搅拌至溶剂蒸发，形成粘稠料浆；
(3)将步骤(2)制得粘稠料浆和除渣剂、球化剂、成型剂混合，置入注塑机进行注塑成型，得注塑坯；注塑机的注射温度为400℃、注射压力为80Mpa，模具温度为110-120℃；将料浆真空干燥、过筛，制得混合粉末二；
(4)将干燥好的混合粉末二放入捏合机中，保持温度145-150℃，密炼2.5h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到1400-1500℃，保持3h进行烧结；
(5)缓慢降温到1200℃，保温1.0h，同时外加超声波作用，超声波强度3.5KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到800℃，保温1.2h；然后急速冷却到680℃，保温1.8h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
其余步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯60份、钴粉和铁粉20份，钨粉18份，镍粉4.0份，铜粉8.0份，二氧化硅5.0份，氧化锰0.3份，除渣剂、球化剂4.0份，成型剂8.0份；其中，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的质量比为1:3，钴粉和铁粉的质量比为1:2。其中上述原料的粒径与实施例1相同。
其制备方法与实施例1相同。
对比例1
本对比例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料制备得到：聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯25份，钴粉和铁粉12份，钨粉18份，镍粉4.0份，铜粉5.0份，二氧化硅6.0份，氧化锰0.4份，除渣剂、球化剂4.0份，成型剂8.0份；其中，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的质量比为1:1，钴粉和铁粉的质量比为1:3。
其中，上述粉末粒径与实施例1相同。成型剂为橡胶。其制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，按重量份数计，通过以下原料选择与实施例1相同，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取钴粉、铁粉、钨粉、钛粉混合球磨，球磨后的混合粉末真空干燥过筛制得混合粉末一，真空干燥的真空度为-0.5-0Pa，干燥温度为200℃。
(2)将聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯加入无水乙醇中，水浴加热并不断搅拌至溶解，倒入步骤(1)制备的混合粉末一，持续水浴加热和搅拌至溶剂蒸发，形成粘稠料浆；
(3)将步骤(2)制得粘稠料浆和除渣剂、球化剂、成型剂混合，球磨后；将料浆真空干燥、过筛，制得混合粉末二；
(4)将干燥好的混合粉末二放入捏合机中，保持温度100-120℃，密炼1.5h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到1200-1300℃，保持2h进行烧结；
(5)缓慢降温到1100℃，保温2.5h，同时外加超声波作用，超声波强度1.0KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到900℃，保温0.5h；然后急速冷却到600℃，保温2.0h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
其余工艺参数与实施例1相同。
将上述实施例1-实施例3和对比例1-对比例2的方法所得的的硬质合金进行硬度和抗弯强度的测试，其实验结果见表1。
表1
硬度(HRA) 抗弯强度(N/mm<sup>2</sup>)
实施例1 92.2 2752
实施例2 92.6 2611
实施例3 93.4 2553
对比例1 87.6 2120
对比例2 86.3 2237
由实验结果可知，本发明的适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金具有较好的强度与硬度，具有极好的耐磨及冲击韧性等特性，使用寿命长。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优势。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，其特征在于，按重量份数计，通过以下原料制备得到：聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯30-75份、钴粉和铁粉15-30份，钨粉15-20份，镍粉3.0-5.0份，铜粉6.0-9.0份，二氧化硅3.0-5.0份，氧化锰0.1-0.3份，除渣剂、球化剂2.0-4.0份，成型剂5.0-8.0份；其中，聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯的质量比为1:2-4，钴粉和铁粉的质量比为1:1-2。
2.根据权利要求1所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金，其特征在于，所述钴粉的粒径为0.5-1.5μm，所述铁粉的粒径为3.0-5.0μm，所述钨粉的粒径为2.0-5.0μm，所述镍粉的粒径为6.0-7.0μm，所述铜粉的纯度为超细铜粉，铜粉的粒径为1-100nm，所述二氧化硅的粒径为50-90nm，所述氧化锰的粒径为8-12μm。
3.一种由权利要求1或权利要求2所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
(1)称取钴粉、铁粉、钨粉、镍粉、铜粉混合球磨，球磨后的混合粉末真空干燥过筛制得混合粉末一；
(2)将聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯加入无水乙醇中，水浴加热并不断搅拌至溶解，倒入步骤(1)制备的混合粉末一，持续水浴加热和搅拌至溶剂蒸发，形成粘稠料浆；
(3)将步骤(2)制得粘稠料浆和二氧化硅、氧化锰、除渣剂、球化剂、成型剂混合，置入注塑机进行注塑成型，得注塑坯；所述注塑机的注射温度为320-400℃、注射压力为80-120Mpa，模具温度为90-120℃；将料浆真空干燥、过筛，制得混合粉末二；
(4)将干燥好的混合粉末二放入捏合机中，保持温度130-150℃，密炼1.5-2.5h，然后模压成块；将料块在真空状态下，加温到1400-1500℃，保持2-3h进行烧结；
(5)缓慢降温到1100-1200℃，保温1.0-1.5h，同时外加超声波作用，超声波强度2.2-3.5KW/m2，使材料分散均；然后快速冷却到800-900℃，保温1.2-1.5h；然后急速冷却到600-680℃，保温1.8-2.5h，然后放入0-4℃的水中急速冷却至常温。
4.根据权利要求3所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的真空干燥的真空度为-0.5-0.3Pa，干燥温度为200～250℃。
5.根据权利要求3所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，所述除渣剂主成分为二氧化硅和三氧化二铝，所述二氧化硅含量73％-75％，所述三氧化二铝含量15％-18％，余量为微量元素和杂质。
6.根据权利要求3所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，所述成型剂为橡胶、聚乙烯蜡和线性低密度聚乙烯和聚乙二醇的任意一种。
7.根据权利要求3所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的烧结为阶段性升温，具体步骤为：
Y1.预热阶段：将温度升到500-550℃，升温速率为60-75℃/min，保温0.5-0.8min；
Y2.低温烧结阶段：将温度升到1000-1100℃，升温速率为110-130℃/min，保温2.0-2.5min；
Y3.高温烧结阶段：将温度升到1200-1300℃，升温速率为110-120℃/min，保温1.5-2.0min。
8.根据权利要求3所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)的缓慢降温的冷却速度为8-10℃/min，所述快速冷却的冷却速度为20-30℃/min，所述急速冷却的冷却速度为40-50℃/min。
9.根据权利要求3所述适于碳素钢与合金钢加工的硬质合金的制备方法，其特征在于，烧结在氮气的保护气氛下进行。
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