CN111496260A - 钢结硬质合金双金属复合材料制备方法 - Google Patents

钢结硬质合金双金属复合材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，涉及粉末冶金技术领域，其包括以下步骤：确定双金属复合材料类型；计算复合层厚度、零部件外形尺寸以及获得复合面结构的设计数据；制备钢结硬质合金粉末并获得复合基体材料工艺参数，消除复合面杂质；计算所需厚度复合层的所述钢结硬质合金粉末重量并根据所述钢结硬质合金粉末的密度比和堆积比在所述复合层表面通过振动平台均匀布置，得到含所述复合层的复合材料毛坯；所得复合材料毛坯表面覆盖防氧化保护层；所得的复合材料置于烧结炉中进行烧结；制得的烧结件放入马弗炉中进行热处理。本发明的制备方法克服了硬质合金焊接工艺大尺寸复杂形状部件的制造工艺复杂、设备投入大等难题。

Description

钢结硬质合金双金属复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其是涉及一种钢结硬质合金双金属复合材料制备方法。
背景技术
钢结硬质合金是一类以增强硬度和耐磨性的金属碳化物为基体相，以增强韧性的过渡族金属为粘结相，通过粉末冶金法制成的合金材料。硬质合金具有较好的耐磨性和耐蚀性，尤其在高温下，仍能保持高硬度。硬质合金被用于制造各种切削用具、磨具、量具和耐磨零件，广泛地应用在地质勘查、石油开采、采矿及筑路工程等领域。
目前，由于钢结硬质合金相对成本高，尺寸有限，塑性和冲击韧性较差，绝大多数钢结硬质合金均镶嵌或者作为涂层用在在韧性较好的工具钢工作部位，这样可以使工具钢来承受主要的冲击载荷，提高使用性能，节约成本。
钢结硬质合金是以碳化物为硬质相，以钢为粘结相，由粉末冶金方法制成。它既具有类似于合金工具钢的可加工性和热处理工艺性，又具有硬质合金所特有的高强度、高硬度、高耐磨性等优点。
钢结硬质合金镶嵌在钢上主要采用的是焊接法和涂层法。
焊接法包括钎焊、扩散焊、激光焊及电弧焊等。其中钎焊工艺简单，得到的焊缝韧性较好，主要问题是在焊缝区会产生很大的残余应力，可能会在硬质合金上产生裂纹。扩散焊对硬质合金基体性能影响很小，但其加工受制于真空条件，一般只适于焊接结构简单的复合工件。激光焊热输入大，能量精确可控制，灵活性强，但其加热和冷却速度太快容易在硬质合金内部产生裂纹。而电弧焊在焊接时不仅容易产生裂纹，还会由于焊接时的元素扩散问题在焊缝周围形成η相等金属间化合物而导致焊缝脆化。
涂层法主要包括热喷涂(如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等)、熔覆(激光熔覆、电火花熔覆、真空熔覆等)、气相表面沉积(物理或者化学表面沉积)，复合镀层、自蔓延高温合成、液相烧结(真空液相烧结)等技术，涂层技术目前主要用于刀具等小尺寸部件或者形状简单的板材等简单零部件的加工生产，涂层厚度相对较小，均匀度差等不足。
目前常用的焊接法存在缺陷如下：钢结硬质合金焊接性能不好，对焊接技术要求高，焊接质量控制难度较大，真空扩散焊等高端焊接工艺设备投入大。而涂层法同样存在诸多缺陷，设备投入较大，而且涂层厚度受限制，表面容易产生裂纹等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，以解决现有技术中存在的焊接法对焊接技术要求高，焊接质量控制难度较大，真空扩散焊等高端焊接工艺设备投入大，存在的涂层法设备投入较大，而且涂层厚度受限制，表面容易产生裂纹的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，包括以下步骤：
S1：确定双金属复合材料类型；
S2：计算复合层厚度、零部件外形尺寸以及获得复合面结构的设计数据；
S3：根据所述步骤S1和所述步骤S2得到的数据，制备钢结硬质合金粉末并获得复合基体材料工艺参数，消除复合面杂质；
S4：计算所需厚度复合层的所述钢结硬质合金粉末重量并根据所述钢结硬质合金粉末的密度比和堆积比在所述复合层表面通过振动平台或者专用布料器均匀布置，得到含所述复合层的复合材料毛坯；
S5：在所述步骤S4所得复合材料毛坯表面覆盖防氧化保护层；
S6：将所述步骤S5所制得的复合材料置于烧结炉中进行烧结；
S7：将步骤S6制得的烧结件放入马弗炉或专用热处理炉中进行热处理。
优选地，在所述步骤S1中，所述双金属复合材料类型包括钢结硬质合金的类型，通过对实际产品使用工况的分析和性价比核算，确定所述钢结硬质合金的类型。
优选地，所述钢结硬质合金包括高锰钢钢结硬质合金、铬钼钢钢结硬质合金、高铬钢钢结硬质合金、不锈钢钢结硬质合金或者高速钢钢结硬质合金。
优选地，所述双金属复合材料类型还包括复合材料的类型。
优选地，所述复合材料的类型包括普通钢、合金钢或者铬钼钢。
优选地，所述步骤S3中，消除复合面的杂质采用喷砂、化学清洗或者超声波方式，清洗复合面的油和锈。
优选地，所述步骤S5中，所述防氧化保护层为按照预定比例得到粘结剂和氧化铝、氧化镁、高岭土、石英粉、叶腊石及膨润土的粉末混合而成。
优选地，所述步骤S6中，烧结温度根据所述复合材料材质不同选择不同的烧结工艺，所述烧结温度控制在1350℃-1450℃之间。
优选地，烧结过程中可以根据预制件材质类型的不同，选择高纯氮气或者氩气进行充气保护或者选用真空烧结工艺。
优选地，随后，工件放入马弗炉或其他专用热处理炉中进行热处理，以消除内应力，随后工件经过机加工修型、打磨和抛光得到合格产品。
本发明提供的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，同现有技术相比，具有以下技术效果：
该种制备方法采用在非真空条件下封闭烧结的理念，根据工况的不同要求，使用不同形状不同材质的密封体制备表层为钢结硬质合金，基体为普通合金材质的双金属复合材料，如球磨机筒体衬板、破碎机球磨机出料篦板、泥浆泵管道弯头等工作面需要耐磨耐冲击的零部件，主要应用于耐磨耐腐蚀部件，尤其是大尺寸板材或者异形部件，如轧钢机导轮、破碎机锷板、高炉加料溜槽等的制造，产品可应用于矿山开采、油田地矿钻探钢铁冶炼等多种领域，克服了硬质合金焊接工艺大尺寸复杂形状部件的制造工艺复杂、设备投入大等难题。
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，下面描述中的附图仅仅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是本发明一种实施例的钢结硬质合金复合材料的烧结工艺曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明实施例提供的钢结硬质合金复合材料，其中钢结硬质合金的硬质项为碳化钛，碳化钛的成本只有碳化钨的三分之一左右，目前已在越来越多的行业得到应用，均有极为广阔的发展前景。
钢结硬质合金复合材料的制备方法如下：
步骤一：双金属复合材料类型确定，通过对实际产品的使用工况等的分析和性价比核算，或者客户要求，如使用寿命等，确定使用钢结硬质合金类型，包括高锰钢钢结硬质合金、铬钼钢钢结硬质合金、高铬钢钢结硬质合金、不锈钢钢结硬质合金、高速钢钢结硬质合金等，复合材料的类型，包括普通钢，如25#、45#等；合金钢如高锰钢；铬钼钢等耐磨耐冲击耐腐蚀等环境下使用的钢种，并进一步确定复合层厚度和零部件外形尺寸以及最重要的复合面结构等设计数据。
步骤二：根据步骤一核算数据制造钢结硬质合金粉末与复合基体材料工艺参数，并采用喷砂、化学清洗或者超声波清洗等不同方式，除油除锈，消除复合面的杂质，计算所需厚度复合层的粉末重量，并根据粉末的密度和堆积比在复合层表面通过振动平台均匀布置，得到含复合层的复合材料毛坯。
步骤三，在步骤二所得复合材料毛坯表面均匀覆盖自制的防氧化保护层，防氧化保护层为一定比例得到粘结剂，如水玻璃、松节油、酚醛树脂等和高温黏土、玻璃料、氧化铝、氧化镁、高岭土、石英粉、叶腊石、膨润土等粉末按一定比例混合而成。
步骤四，将步骤三所制得的复合材料置于烧结炉中进行烧结，烧结温度根据复合材料材质不同，选择不同的烧结工艺，最终烧结温度控制在1350℃-1450℃之间，烧结过程中并根据预支件材质类型的不同，选择高纯氮气或者氩气进行充气保护；
步骤五，将步骤四制得的烧结件放入马弗炉或其他专用热处理炉中进行一系列热处理，消除内应力。
步骤六：产品后续处理，工件经过机加工修型、打磨、抛光等一系列精加工程序最终得到符合最初设计要求的合格产品。
采用本发明的制备方法，可根据实际工况的不同，不断的调整钢结硬质合金的配方，工艺简单，设备投入低，耐磨层厚度大，耐磨层选择灵活，可以根据工况条件随时调整耐磨层的性能参数，焊接性能好，工件尺寸外形灵活性高，维修更换方便。
实施例1：
本实施例以陶瓷承烧盒作为基板，通过拼装在底部涂抹耐热涂层得到大尺寸的陶瓷盒。
陶瓷承烧盒为成型保护层，防氧化涂层为烧结保护层，这样可以极大地降低对设备的要求，进而降低生产成本。
实施例2：
本实施例以球磨机平衬板作为基板。
(1)回收经使用后下机的球磨机平衬板，宽度为314mm，整块衬板长500mm，厚度50mm。检查衬板的安装尺寸完成性，检查衬板内部是否有裂纹，取可以再次安装没有内部缺陷的旧衬板作为基材，并喷砂清理工作表面，消除存在的污染物，去除锈迹等，漏出完整的金属表面，经测算需要在衬板表面得到15mm厚的钢结硬质合金耐磨层。
(2)因衬板为ZGMn13材质，所以选用TM52高锰钢钢结硬质合金作为耐磨层成分，成分密度为6.11g/cm3。
TM52高锰钢钢结硬质合金成分表
TiC Mo Mn-Fe Ni 碳化物 Fe
50 1.10 8.6 2.25 0.9 余量
确定耐磨层尺寸为314*500*15㎜，根据钢结硬质合金密度得出需该合金重量约为14.39㎏。
(3)使用SD高分子粘结剂与钢结硬质合金粉末混合均匀，用量为每千克80ml，之后将混合物在震动平台上经布料器均匀的布满衬板基体，并缓慢加热到200℃烘干。
(4)使用高温粘土、叶腊石、玻璃料和石英粉的比例按照3:3:1:3比例混合均匀，用65％的硅酸钠溶液混合均匀得到防氧化涂层，然后均匀的覆盖在钢结硬质合金涂层表面，。
(5)将衬板装入真空烧结炉中进行烧结，烧结工艺曲线如图1所示。
(6)烧结完成出炉后将衬板立刻装入热处理炉在260℃保温2H。
(7)打磨衬板表面，并检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定双金属复合材料类型；
S2：计算复合层厚度、零部件外形尺寸以及获得复合面结构的设计数据；
S3：根据所述步骤S1和所述步骤S2得到的数据，制备钢结硬质合金粉末并获得复合基体材料工艺参数，消除复合面杂质；
S4：计算所需厚度复合层的所述钢结硬质合金粉末重量并根据所述钢结硬质合金粉末的密度比和堆积比在所述复合层表面通过振动平台或者专用布料器均匀布置，得到含所述复合层的复合材料毛坯；
S5：在所述步骤S4所得复合材料毛坯表面覆盖防氧化保护层；
S6：将所述步骤S5所制得的复合材料置于烧结炉中进行烧结；
S7：将步骤S6制得的烧结件放入马弗炉或专用热处理炉中进行热处理。
2.根据权利要求1所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述双金属复合材料类型包括钢结硬质合金的类型，通过对实际产品使用工况的分析和性价比核算，确定所述钢结硬质合金的类型。
3.根据权利要求2所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述钢结硬质合金包括高锰钢钢结硬质合金、铬钼钢钢结硬质合金、高铬钢钢结硬质合金、不锈钢钢结硬质合金或者高速钢钢结硬质合金。
4.根据权利要求2所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述双金属复合材料类型还包括复合材料的类型。
5.根据权利要求4所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述复合材料的类型包括普通钢、合金钢或者铬钼钢。
6.根据权利要求1所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，消除复合面的杂质采用喷砂、化学清洗或者超声波方式，清洗复合面的油和锈。
7.根据权利要求1所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述防氧化保护层为按照预定比例得到粘结剂和氧化铝、氧化镁、高岭土、石英粉、叶腊石及膨润土的粉末混合而成。
8.根据权利要求1-7任一所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，烧结温度根据所述复合材料材质不同选择不同的烧结工艺，所述烧结温度控制在1350℃-1450℃之间。
9.根据权利要求8所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，烧结过程中可以根据预制件材质类型的不同，选择高纯氮气或者氩气进行充气保护或者选用真空烧结工艺。
10.根据权利要求10所述的钢结硬质合金双金属复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤9之后，工件放入马弗炉或其他专用热处理炉中进行热处理，以消除内应力，随后工件经过机加工修型、打磨和抛光得到合格产品。
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