CN110449593B - 一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头及其制备方法 - Google Patents

一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头及其制备方法 Download PDF

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CN110449593B CN201910745393.1A CN201910745393A CN110449593B CN 110449593 B CN110449593 B CN 110449593B CN 201910745393 A CN201910745393 A CN 201910745393A CN 110449593 B CN110449593 B CN 110449593B
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Abstract

本发明公开了一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头，包括钨基体，钨基体表面覆盖有碳化钨硬质合金层，合金层由碳化钨陶瓷颗粒和粘结相组成，粘结相为钢，钨基体由底部倒立的圆台、中间圆柱和顶部圆锥组成，钨基体的含钨量为96wt％～99wt％。本发明还公开了一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，用该方法制备的钢结硬质合金头内部无孔隙，强度、硬度高，具有极好的耐磨性。

Description

一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头及其制备方法
技术领域
本发明属于硬质合金技术领域，涉及一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头及其制备方法。
背景技术
硬质合金是一种将微米级高硬度难熔金属硬质碳化物(WC、TiC)和粘结剂过渡族金属(Co、Fe、Ni)通过按不同材料体系成比例配方、压制成型，并在一定保护气氛下经高温烧结等粉末冶金方法制备的一种金属陶瓷材料。硬质合金因其具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能被广泛应用于切削工具、工程机械、耐磨耐腐零件、煤炭石油和矿山钻具等国民经济的各大领域。
目前我国硬质合金产业的发展方向一是继续提升和改良生产技术和工艺装备水平；二是继续提升硬质合金的综合性能，扬长避短，同时也要研发创新新型硬质合金。目前已发明的新型硬质合金有1)细晶粒和超细晶粒硬质合金；2)添加稀土元素的硬质合金；3)表面涂层硬质合金；4)梯度硬质合金等。
CN 201410828317.4公开了一种硬质相为(TiW)C固溶体的钢结硬质合金材料，它的优势是合金是TiC-WC复合硬质相和高锰钢粘结相组成的材料，减少了战略资源W、Co的用量，有效降低生产和使用成本，孔隙度低，具有高的硬度和耐磨性，以及良好的可焊接性能，适用于凿岩和地矿类产品。
CN 1548567A公开了一种以高锰钢为粘结相的WC系钢结硬质合金材料的成分和工艺实施过程，只需调整其硬质相WC和C的含量即可生产出不同性能的合金材料。其中硬质相含量范围为75～90％，粘结相高锰钢10.0～25.0％；其中Mn:14.0～18.0％，Ni:3.0～6.0％，C:0.9～1.9％，Fe为余量。只要将粘结相成分控制在要求范围中即可实现产品无磁性。此发明属于低粘结相含量的一种钢结硬质合金材料，具有高的强度、硬度和耐磨性，可作为矿山工具材料和磨具材料使用。
CN 109402483A公开了一种碳化钒钢结硬质合金的制备方法。此发明未加入钨、钴元素，而主要以超细碳化钒粉和塑料钢基体粉为原料采用粉末冶金法制备，并设置有后续在1000～1200℃油淬和在500～600℃二次回火的热处理工艺，有效改善了合金微观组织结构。为制备大尺寸、复杂形状的钢结硬质合金提供了一种生产工艺简单、成本较低的碳化钒系钢结硬质合金的方法。
以上三项专利不论是使用复合硬质相作为增强相(CN 201410828317.4)还是加入一定量的镍代替Co形成低粘结相高锰钢相(CN 1548567A)，甚或是不使用钨、钴等元素而选用铁为主要材料并结合热处理手段改善微观组织结构(CN 109402483 A)，目的都是为了提高钢结硬质合金复合材料的整体性能和服役性能，使其能满足特定工况或复杂作业。但是其制备方法仍然使用传统粉末冶金的方式，在某些方面有一定的劣势，比较明显的有：第一，烧结温度高，一般在1350℃～1500℃；第二，粉末制成的压坯其内部孔隙不能完全消除，因此烧结出的成品其内部具有一定的孔隙率；第三，高纯粉末原材料与压模成本较高，制作工序繁琐；第四，产品整体都为硬质合金材料，不利于局部的服役，且回收率低，不易再加工，造成资源的浪费。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头，解决了现有煤截齿用硬质合金内部孔隙率大，抗磨损性能低的问题。
本发明的另一个目的是提供一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头，包括钨基体，钨基体表面覆盖有碳化钨硬质合金层，合金层由碳化钨陶瓷颗粒和粘结相组成，粘结相为钢。
本发明的技术特征还在于，
其中，钨基体由底部倒立的圆台、中间圆柱体和顶部圆锥组成，钨基体的含钨量为96wt％～99wt％。
钨基体顶部圆锥的锥顶为半球形，锥顶的半径为1mm～1.5mm。
本发明采用的第二技术方案是，一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用钨块制作钨基体，钨基体底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形；准备高碳钢粉，所述高碳钢粉的含碳量为1.3～1.7wt％，其余为Fe；
步骤2，将钨基体放入烧结模具中，锥顶朝上，在钨基体上倒入高碳钢粉，再将高碳钢粉压实在钨基体表面；
步骤3，将装有钨基体和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，最终烧结温度控制在800～1000℃，在此温度下保温12h～16h，随炉冷却至室温，即制得钢结硬质合金试样；
步骤4，从烧结炉中取出钢结硬质合金试样，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头。
步骤1中，圆锥体的锥顶半径为1mm～1.5mm。
烧结模具由石墨制作而成，包括上顶柱、下底柱和空心圆柱体，上顶柱和下底柱的直径与空心圆柱体的内径相同。
空心圆柱体的内径与钨基体中间圆柱体的直径相同。
步骤2的具体过程为，将下底柱向上塞入空心圆柱体内，堵住空心圆柱体底部，再将钨基体锥顶朝上放入空心圆柱体内，使钨基体底面完全接触下底柱顶面；在钨基体上倒入高碳钢粉，再将上顶柱向下塞入空心圆柱体内，给上顶柱和下底柱同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体表面，最后翻转烧结模具。
步骤3中，热压烧结过程中，烧结炉中压力保持在20MPa～40MPa。
钨基体的含钨量为96wt％～99wt％。
本发明的有益效果是，本发明合金头由钨基体和覆盖在钨基体表面的碳化钨硬质合金层组成，钨基体内部无孔隙，使合金头具有较高的硬度；碳化钨硬质合金层由碳化钨陶瓷颗粒和钢粘结相组成，使合金头具有较高的强度和硬度，极好的耐磨性，利于局部的服役；钢结硬质合金以高强高硬化合物为硬质相，以钢为粘结相，其中WC系钢结硬质合金具有较高速钢更高的耐磨性与红硬性，以及较超硬材料更佳的韧性，可制成切削工具，在煤炭的采掘工具、矿山的凿岩工具和石油的钻探工具等方面具有广泛的应用；制备本发明合金头过程中，烧结的最高温度为至800℃～1000℃，远远低于现有合金头制备工艺中的烧结温度(1350℃～1500℃)，节约了能源，降低了制作成本；本发明合金头失效后，其中的钨基体可回收再加工，提高了资源利用率。
附图说明
图1是本发明可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的结构示意图；
图2是本发明钢结硬质合金头中钨基体的结构示意图；
图3是本发明可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法流程图；
图4是本发明制备方法中所用烧结模具的结构示意图；
图5是本发明实施例1中钢结硬质合金头表层的微观结构示意图。
图中，1.钨基体，2.合金层，3.上顶柱，4.下底柱，5.空心圆柱体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头，参照图1，包括钨基体1，钨基体1的含钨量为96wt％～99wt％，钨基体1表面覆盖有碳化钨硬质合金层2，合金层2由碳化钨陶瓷颗粒和粘结相组成，粘结相为钢。
参照图2，钨基体1由底部倒立的圆台、中间圆柱和顶部圆锥组成，钨基体1顶部圆锥的锥顶为半球形，锥顶的半径为1mm～2mm。
本发明一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，参照图3，具体包括以下步骤：
步骤1，材料体系的选择与准备
采用钨块制作钨基体1，钨基体1的含钨量为96wt％～99wt％，钨基体1底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形，锥顶半径为1mm～1.5mm，圆台的最大直径、圆锥体底面直径均与圆柱体的直径相同；制备好所需钨基体后对其尺寸质量进行检测，若合格，进行下一步的操作，若不合格，进行二次加工，使其尺寸质量合格后再进行下一步的操作；
准备高碳钢粉，高碳钢粉的含碳量为1.3～1.7wt％，其余为Fe；
步骤2，烧结模具的准备与制作
采用石墨制作烧结模具，参照图4，烧结模具包括上顶柱3、下底柱4和空心圆柱体5，上顶柱3、下底柱4的直径均与空心圆柱体5的内径相同，空心圆柱体5的内径与钨基体1中间圆柱体的直径相同；
步骤3，样品的放入
将钨基体1放入烧结模具中，锥顶朝上，在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将高碳钢粉压实在钨基体1表面；具体过程为：将下底柱4向上塞入空心圆柱体5内，堵住空心圆柱体5底部，再将钨基体1锥顶朝上放入空心圆柱体5内，使钨基体1底面完全接触下底柱4顶面；在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将上顶柱3向下塞入空心圆柱体5内，给上顶柱3和下底柱4同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体1表面，最后翻转烧结模具。
步骤4，气氛热压烧结
将装有钨基体1和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，热压烧结过程中，烧结炉中压力保持在20MPa～40MPa，最终烧结温度控制在800～1000℃，在此温度下保温12h～16h，随炉冷却至室温，即制得钢结硬质合金试样；
步骤5，取样与后处理
从烧结炉中取出烧结模具，再从烧结模具中取出钢结硬质合金试样，用砂纸打磨制得的硬质合金试样表面，去除表面的高碳钢粉及其他杂质，随后对其进行超声波清洗，清洗时间为2min～3min，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头。
实施例1
制备一种可用于制作类U82型煤截齿的钢结硬质合金头，具体步骤如下：
步骤1，材料体系的选择与准备
采用含钨量为96wt％的圆柱形钨块制作钨基体1，钨基体1底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形，锥顶半径为1.5mm，钨基体1高度为16mm；圆台的最大直径、圆锥体底面直径均与圆柱体的直径相同，为15mm；圆台的底面直径为14mm，圆台的高度为1mm，圆锥体高度为8mm。
制备好所需钨基体后对其尺寸质量进行检测，若合格，进行下一步的操作，若不合格，进行二次加工，使其尺寸质量合格后再进行下一步的操作；
准备高碳钢粉，高碳钢粉的含碳量为1.3wt％，其余为Fe；高碳钢粉的粒度为20μm；
步骤2，烧结模具的准备与制作
采用石墨制作烧结模具，烧结模具包括圆柱形上顶柱3、下底柱4和空心圆柱体5，上顶柱3、下底柱4的直径均与空心圆柱体5的内径相同，空心圆柱体5的内径与钨基体1中间圆柱体的直径相同，为15mm；上顶柱3和下底柱4的高度均为20mm，空心圆柱体5的高度为40mm，空心圆柱体的厚度为6mm；
步骤3，样品的放入
将下底柱4向上塞入空心圆柱体5内，堵住空心圆柱体5底部，再将钨基体1锥顶朝上放入空心圆柱体5内，使钨基体1底面完全接触下底柱4顶面；在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将上顶柱3向下塞入空心圆柱体5内，调整钨基体在烧结模具中的位置，使其大致处于中心部分；给上顶柱3和下底柱4同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体1表面，最后翻转烧结模具；
步骤4，气氛热压烧结
将装有钨基体1和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，热压烧结过程中，氩气流速约为100ml/min，烧结炉中压力保持在40MPa；烧结炉中升温速率控制在10℃/min，最终烧结温度控制在800℃，在此温度下保温16h，随炉冷却至室温，即制得可用于制作类U82型煤截齿的钢结硬质合金试样；保温过程中，钨基体表面的钨与高碳钢粉发生原位反应，生成碳化钨陶瓷颗粒，钢作为粘结相与碳化钨陶瓷颗粒形成合金层，提高了材料的耐磨性和强度、硬度；
步骤5，取样与后处理
从烧结炉中取出烧结模具，再从烧结模具中取出钢结硬质合金试样，用砂纸打磨制得的硬质合金试样表面，去除表面的高碳钢粉及其他杂质，随后对其进行超声波清洗，清洗时间为2min，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作类U82型煤截齿的钢结硬质合金头。
采用扫描电子显微镜对实施例1制备的合金头表层进行扫描观测，得到其微观结构示意图，如图5所示，内部为钨基体1，外层为碳化钨硬质合金层2，碳化钨硬质合金层中的碳化钨陶瓷颗粒晶粒细小并在钨基体表面呈梯度分布。
对实施例1制备的合金头进行性能检测，测试结果如表1中所示。
实施例2
制备一种可用于制作类U94型煤截齿的钢结硬质合金头，具体步骤如下：
步骤1，材料体系的选择与准备
采用含钨量为98wt％的圆柱形钨块制作钨基体1，钨基体1底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形，锥顶半径为2mm，钨基体1高度为22mm；圆台的最大直径、圆锥体底面直径均与圆柱体的直径相同，为19mm；圆台的底面直径为17mm，圆台的高度为2mm，圆锥体高度为15mm。
制备好所需钨基体后对其尺寸质量进行检测，若合格，进行下一步的操作，若不合格，进行二次加工，使其尺寸质量合格后再进行下一步的操作；
准备高碳钢粉，高碳钢粉的含碳量为1.5wt％，其余为Fe；高碳钢粉的粒度为40μm；
步骤2，烧结模具的准备与制作
采用石墨制作烧结模具，烧结模具包括圆柱形上顶柱3、下底柱4和空心圆柱体5，上顶柱3、下底柱4的直径均与空心圆柱体5的内径相同，空心圆柱体5的内径与钨基体1中间圆柱体的直径相同，为19mm；上顶柱3和下底柱4的高度均为15mm，空心圆柱体5的高度为40mm，空心圆柱体的厚度为6mm；
步骤3，样品的放入
将下底柱4向上塞入空心圆柱体5内，堵住空心圆柱体5底部，再将钨基体1锥顶朝上放入空心圆柱体5内，使钨基体1底面完全接触下底柱4顶面；在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将上顶柱3向下塞入空心圆柱体5内，调整钨基体在烧结模具中的位置，使其大致处于中心部分；给上顶柱3和下底柱4同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体1表面，最后翻转烧结模具；
步骤4，气氛热压烧结
将装有钨基体1和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，热压烧结过程中，氩气流速约为100ml/min，烧结炉中压力保持在30MPa；烧结炉中升温速率控制在10℃/min，最终烧结温度控制在900℃，在此温度下保温13h，随炉冷却至室温，即制得可用于制作类U94型煤截齿的钢结硬质合金试样；保温过程中，钨基体表面的钨与高碳钢粉发生原位反应，生成碳化钨陶瓷颗粒，钢作为粘结相与碳化钨陶瓷颗粒形成合金层，提高了材料的耐磨性和强度、硬度；
步骤5，取样与后处理
从烧结炉中取出烧结模具，再从烧结模具中取出钢结硬质合金试样，用砂纸打磨制得的硬质合金试样表面，去除表面的高碳钢粉及其他杂质，随后对其进行超声波清洗，清洗时间为2min，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作类U94型煤截齿的钢结硬质合金头。
采用扫描电子显微镜对实施例2制备的合金头表层进行扫描观测，发现其内部为钨基体，外层为碳化钨硬质合金层2，碳化钨硬质合金层中的碳化钨陶瓷颗粒晶粒细小并在钨基体表面呈梯度分布。
对实施例2制备的合金头进行性能检测，测试结果如表1中所示。
实施例3
制备一种可用于制作类U82型煤截齿的钢结硬质合金头，具体步骤如下：
步骤1，材料体系的选择与准备
采用含钨量为97wt％的圆柱形钨块制作钨基体1，钨基体1底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形，锥顶半径为1mm，钨基体1高度为14mm；圆台的最大直径、圆锥体底面直径均与圆柱体的直径相同，为12mm；圆台的底面直径为10mm，圆台的高度为0.8mm，圆锥体高度为8mm。
制备好所需钨基体后对其尺寸质量进行检测，若合格，进行下一步的操作，若不合格，进行二次加工，使其尺寸质量合格后再进行下一步的操作；
准备高碳钢粉，高碳钢粉的含碳量为1.5wt％，其余为Fe；高碳钢粉的粒度为20μm；
步骤2，烧结模具的准备与制作
采用石墨制作烧结模具，烧结模具包括圆柱形上顶柱3、下底柱4和空心圆柱体5，上顶柱3、下底柱4的直径均与空心圆柱体5的内径相同，空心圆柱体5的内径与钨基体1中间圆柱体的直径相同，为12mm；上顶柱3和下底柱4的高度均为15mm，空心圆柱体5的高度为30mm，空心圆柱体的厚度为6mm；
步骤3，样品的放入
将下底柱4向上塞入空心圆柱体5内，堵住空心圆柱体5底部，再将钨基体1锥顶朝上放入空心圆柱体5内，使钨基体1底面完全接触下底柱4顶面；在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将上顶柱3向下塞入空心圆柱体5内，调整钨基体在烧结模具中的位置，使其大致处于中心部分；给上顶柱3和下底柱4同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体1表面，最后翻转烧结模具；
步骤4，气氛热压烧结
将装有钨基体1和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，热压烧结过程中，氩气流速约为100ml/min，烧结炉中压力保持在30MPa；烧结炉中升温速率控制在10℃/min，最终烧结温度控制在850℃，在此温度下保温13h，随炉冷却至室温，即制得可用于制作类U82型煤截齿的钢结硬质合金试样；保温过程中，钨基体表面的钨与高碳钢粉发生原位反应，生成碳化钨陶瓷颗粒，钢作为粘结相与碳化钨陶瓷颗粒形成合金层，提高了材料的耐磨性和强度、硬度；
步骤5，取样与后处理
从烧结炉中取出烧结模具，再从烧结模具中取出钢结硬质合金试样，用砂纸打磨制得的硬质合金试样表面，去除表面的高碳钢粉及其他杂质，随后对其进行超声波清洗，清洗时间为2min，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作类U82型煤截齿的钢结硬质合金头。
采用扫描电子显微镜对实施例3制备的合金头表层进行扫描观测，发现其内部为钨基体1，外层为碳化钨硬质合金层2，碳化钨硬质合金层中的碳化钨陶瓷颗粒晶粒细小并在钨基体表面呈梯度分布。
对实施例3制备的合金头进行性能检测，测试结果如表1中所示。
实施例4
制备一种可用于制作类U94型煤截齿的钢结硬质合金头，具体步骤如下：
步骤1，材料体系的选择与准备
采用含钨量为97wt％的圆柱形钨块制作钨基体1，钨基体1底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形，锥顶半径为1.6mm，钨基体1高度为20mm；圆台的最大直径、圆锥体底面直径均与圆柱体的直径相同，为18mm；圆台的底面直径为16mm，圆台的高度为1.5mm，圆锥体高度为14mm。
制备好所需钨基体后对其尺寸质量进行检测，若合格，进行下一步的操作，若不合格，进行二次加工，使其尺寸质量合格后再进行下一步的操作；
准备高碳钢粉，高碳钢粉的含碳量为1.4wt％，其余为Fe；高碳钢粉的粒度为40μm；
步骤2，烧结模具的准备与制作
采用石墨制作烧结模具，烧结模具包括圆柱形上顶柱3、下底柱4和空心圆柱体5，上顶柱3、下底柱4的直径均与空心圆柱体5的内径相同，空心圆柱体5的内径与钨基体1中间圆柱体的直径相同，为18mm；上顶柱3和下底柱4的高度均为16mm，空心圆柱体5的高度为40mm，空心圆柱体的厚度为6mm；
步骤3，样品的放入
将下底柱4向上塞入空心圆柱体5内，堵住空心圆柱体5底部，再将钨基体1锥顶朝上放入空心圆柱体5内，使钨基体1底面完全接触下底柱4顶面；在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将上顶柱3向下塞入空心圆柱体5内，调整钨基体在烧结模具中的位置，使其大致处于中心部分；给上顶柱3和下底柱4同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体1表面，最后翻转烧结模具；
步骤4，气氛热压烧结
将装有钨基体1和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，热压烧结过程中，氩气流速约为100ml/min，烧结炉中压力保持在20MPa；烧结炉中升温速率控制在10℃/min，最终烧结温度控制在900℃，在此温度下保温15h，随炉冷却至室温，即制得可用于制作类U94型煤截齿的钢结硬质合金试样；保温过程中，钨基体表面的钨与高碳钢粉发生原位反应，生成碳化钨陶瓷颗粒，钢作为粘结相与碳化钨陶瓷颗粒形成合金层，提高了材料的耐磨性和强度、硬度；
步骤5，取样与后处理
从烧结炉中取出烧结模具，再从烧结模具中取出钢结硬质合金试样，用砂纸打磨制得的硬质合金试样表面，去除表面的高碳钢粉及其他杂质，随后对其进行超声波清洗，清洗时间为2min，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作类U94型煤截齿的钢结硬质合金头。
采用扫描电子显微镜对实施例4制备的合金头表层进行扫描观测，发现其内部为钨基体1，外层为碳化钨硬质合金层2，碳化钨硬质合金层中的碳化钨陶瓷颗粒晶粒细小并在钨基体表面呈梯度分布。
对实施例4制备的合金头进行性能检测，测试结果如表1中所示。
实施例5
制备一种可用于制作类U47型煤截齿的钢结硬质合金头，具体步骤如下：
步骤1，材料体系的选择与准备
采用含钨量为99wt％的圆柱形钨块制作钨基体1，钨基体1底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形，锥顶半径为1.5mm，钨基体1高度为19mm；圆台的最大直径、圆锥体底面直径均与圆柱体的直径相同，为17.5mm；圆台的底面直径为15.5mm，圆台的高度为3mm，圆锥体高度为10mm。
制备好所需钨基体后对其尺寸质量进行检测，若合格，进行下一步的操作，若不合格，进行二次加工，使其尺寸质量合格后再进行下一步的操作；
准备高碳钢粉，高碳钢粉的含碳量为1.7wt％，其余为Fe；高碳钢粉的粒度为60μm；
步骤2，烧结模具的准备与制作
采用石墨制作烧结模具，烧结模具包括圆柱形上顶柱3、下底柱4和空心圆柱体5，上顶柱3、下底柱4的直径均与空心圆柱体5的内径相同，空心圆柱体5的内径与钨基体1中间圆柱体的直径相同，为17.5mm；上顶柱3和下底柱4的高度均为15mm，空心圆柱体5的高度为40mm，空心圆柱体的厚度为6mm；
步骤3，样品的放入
将下底柱4向上塞入空心圆柱体5内，堵住空心圆柱体5底部，再将钨基体1锥顶朝上放入空心圆柱体5内，使钨基体1底面完全接触下底柱4顶面；在钨基体1上倒入高碳钢粉，再将上顶柱3向下塞入空心圆柱体5内，调整钨基体在烧结模具中的位置，使其大致处于中心部分；给上顶柱3和下底柱4同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体1表面，最后翻转烧结模具；
步骤4，气氛热压烧结
将装有钨基体1和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，热压烧结过程中，氩气流速约为100ml/min，烧结炉中压力保持在20MPa；烧结炉中升温速率控制在10℃/min，最终烧结温度控制在1000℃，在此温度下保温12h，随炉冷却至室温，即制得可用于制作类U47型煤截齿的钢结硬质合金试样；保温过程中，钨基体表面的钨与高碳钢粉发生原位反应，生成碳化钨陶瓷颗粒，钢作为粘结相与碳化钨陶瓷颗粒形成合金层，提高了材料的耐磨性和强度、硬度；
步骤5，取样与后处理
从烧结炉中取出烧结模具，再使用脱模机从烧结模具中取出钢结硬质合金试样，用砂纸打磨制得的硬质合金试样表面，去除表面的高碳钢粉及其他杂质，随后对其进行超声波清洗，清洗时间为3min，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作类U47型煤截齿的钢结硬质合金头。
采用扫描电子显微镜对实施例5制备的合金头表层进行扫描观测，发现其内部为钨基体1，外层为碳化钨硬质合金层2，碳化钨硬质合金层中的碳化钨陶瓷颗粒晶粒细小并在钨基体表面呈梯度分布。
对实施例5制备的合金头进行性能检测，测试结果如表1中所示。
表1本发明实施例1-5制备的合金头性能检测结果
显微硬度,HV0.1 密度(g/cm3) Ha/Hm 磨损状况
实施例1 2120 18.11 0.85 相对低
实施例2 2138 18.04 0.84 相对低
实施例3 2092 18.23 0.86 相对低
实施例4 2146 18.17 0.84 相对低
实施例5 2170 18.36 0.83 相对低
根据JB/T7506-1994测试耐磨性，在20N载荷下进行磨料磨损试验。磨损性能受Ha-Hm(HWC-HAl2O3)比率的影响。根据Richardson理论，当Ha/Hm≤0.7-1.1时，材料的磨损状况非常低。Al2O3砂纸的硬度值约为1800HV0.1。

Claims (7)

1.一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用钨块制作钨基体(1)，钨基体(1)底部为倒立的圆台，中间为圆柱体，顶部为圆锥体，圆锥体的锥顶为半球形；准备高碳钢粉，所述高碳钢粉的含碳量为1.3～1.7wt％，其余为Fe；
步骤2，将钨基体(1)放入烧结模具中，锥顶朝上，在钨基体(1)上倒入高碳钢粉，再将高碳钢粉压实在钨基体(1)表面；
步骤3，将装有钨基体(1)和高碳钢粉的烧结模具放入烧结炉中，在氩气气氛下开始热压烧结，最终烧结温度控制在800～1000℃，在此温度下保温12h～16h，随炉冷却至室温，即制得钢结硬质合金试样；
步骤4，从烧结炉中取出钢结硬质合金试样，清理干净表面后烘干处理，即制得可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头。
2.根据权利要求1所述的一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，圆锥体的锥顶半径为1mm～1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，所述烧结模具由石墨制作而成，包括上顶柱(3)、下底柱(4)和空心圆柱体(5)，上顶柱(3)和下底柱(4)的直径与空心圆柱体(5)的内径相同。
4.根据权利要求3所述的一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，所述空心圆柱体(5)的内径与钨基体(1)中间圆柱体的直径相同。
5.根据权利要求4所述的一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为，将下底柱(4)向上塞入空心圆柱体(5)内，堵住空心圆柱体(5)底部，再将钨基体(1)锥顶朝上放入空心圆柱体(5)内，使钨基体(1)底面完全接触下底柱(4)顶面；在钨基体(1)上倒入高碳钢粉，再将上顶柱(3)向下塞入空心圆柱体(5)内，给上顶柱(3)和下底柱(4)同时施压，将高碳钢粉压实在钨基体(1)表面，最后翻转烧结模具。
6.根据权利要求1所述的一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，热压烧结过程中，烧结炉中压力保持在20MPa～40MPa。
7.根据权利要求1所述的一种可用于制作煤截齿的钢结硬质合金头的制备方法，其特征在于，所述钨基体(1)的含钨量为96wt％～99wt％。
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