CN111575599A - 一种沉淀强化型高温钢结硬质合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沉淀强化型高温钢结硬质合金及制备方法。其特征在于所述合金具有可固溶‑沉淀强化的特性,且强韧性高、使用温度可达600℃,远高于普通钢结硬质合金。其成分组成为(质量分数):硬质相25~35%,Co/Ni9.75~18.75wt.%,Mo/W5.85~12.5wt.%,余量为Fe;本发明以Fe‑(15~25)Co/Ni‑(9~15)Mo/W为基础成分,添加25~35wt.%硬质相粉末,制备方法包括机械球磨、冷压、烧结以及固溶时效热处理。烧结方式为真空脱脂一体烧结和加压烧结中的一种。所述的沉淀强化型高温钢结硬质合金同时具有组织均匀细小、致密度高、易加工、强韧性好、红硬性高的特点。

Description

一种沉淀强化型高温钢结硬质合金及制备方法
技术领域
本发明涉及一种沉淀强化型高温钢结硬质合金及制备方法。该材 料在加工镍基高温合金、钛合金等难加工金属领域具有很大的性能优 势及潜力。
背景技术
现阶段,钛合金以及镍基高温合金在整个合金领域占有特殊重要 的地位,广泛应用于航空航天、医药、军工和海洋工程等领域。仅仅 考虑高端钛材,10~20年内年均市场规模将有望突破300亿元;而目 前高温合金全球每年消费量也达28万吨。但是钛合金以及镍基高温 合金是典型难加工材料,其微观强化项硬度高,加工硬化程度严重, 并且其具有高抗剪切应力和低导热率,切削区域的切削力和切削温度 高,在加工过程中经常出现加工表面质量低、刀具破损非常严重等问 题。
作为切削刀具,TiC/TiCN基钢结硬质合金具有耐高温、摩擦系 数小、抗金属粘着性能好等特点,但也具有较差的韧性和抗崩刃性。 专利201110170310.4公开了一种TiC系钢结硬质合金材料的制备方 法,其组成成分为(重量百分比):Ti40~56wt.%,C10~14wt.%, Mn4.2~7.2wt.%,Ni1.0~2.0wt.%,Mo0.5~1.0wt.%,Cr0.5~1.5wt.%, 稀土元素0.05~0.15%,余量为Fe,该合金材料属于常规高锰钢钢结 硬质合金,具有较高的硬度及其耐磨性,但是高锰钢基体的加入并未 有效提高该合金材料的抗冲击性能;专利200610115955.7公开了一 种低钴镍含量的高温合金,该合金材料具有五至七个主元素,以CoCrFeNi为基础,并添加Al、Mo及Ti至少一种为主要元素加以配 置而成,具有优良的变形能力、韧性及高温强度的特点,但Cr元素 的元素百分比为12.5~20%,Cr元素的大量加入将会导致粉末冶金制 备工艺中的烧结过程产生严重的偏析现象,进而降低粘结相合金的韧 性;专利201910821533.9通过引入定量的碳化钒和减缓烧结降温阶 段的冷却速率及凝固点附近的保温来降低外环相与金属界面处的高 错配度及低的界面结合强度,从而提高TiCN基合金的强韧性。
发明内容
综上所述,结合目前现有技术,本发明的目的在于针对高温合金 与钛合金的加工特性,通过研究新的合金体系和制备工艺,优化热处 理工艺,进而得到组织均匀细小、致密度高、红硬性高、易加工、强 韧性好的沉淀强化型高温钢结硬质合金。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种沉淀强化型高温钢结硬质合金及制备方法,其中,所述合金 以沉淀强化工具钢为粘结相,所述合金的组成为(重量百分比):硬 质相25~35%,Co/Ni9.75~18.75wt.%,Mo/W5.85~12.5wt.%,余量为 Fe。
上述沉淀强化型高温钢结硬质合金的制备方法,具体包括以下步 骤:
步骤1:按权利要求1所述的成分配比称取原材料粉末,进行混 合,采用150MPa压力压制成型,获得压坯;
步骤2:将步骤1所得的压坯在真空/加压炉中进行烧结,最高温 度为1380~1550℃,保温120~180min,压力为0.5~3.0MPa;
步骤3:将步骤2中所得的烧结坯进行固溶时效热处理。
上述制备的沉淀强化型高温钢结硬质合金,其特征在于,所述粘 结相的组成为(质量百分比)Fe-(15~25)Co-(9~15)Mo, Fe-(15~25)Ni-(9~15)W,Fe-(15~25)Co/Ni-(9~15)Mo/W中的一种。
上述制备的沉淀强化型高温钢结硬质合金,其特征在于,所述粘 结相为元素粉(Fe,Co,Mo,Ni,W)和预合金粉(MoFe,FeCoMo, WFe,FeNiW)中的一种或几种,元素粉末粒度范围为1~20微米,预 合金粉末粒径范围为10~100微米。
上述制备的沉淀强化型高温钢结硬质合金,其特征在于,所述硬 质相为TiC,TiCN,(W,Ti)C中的一种或几种。
上述制备的沉淀强化型高温钢结硬质合金,其特征在于,步骤3 中所述的固溶时效热处理工艺为:在1200~1300℃保温30-60min进 行全固溶处理,油冷至室温;
上述制备的沉淀强化型高温钢结硬质合金,其特征在于,全固溶 处理之后在1100~1150℃进行淬火处理,油冷至室温,然后在570~700℃ 回火2~4h,空冷至室温。
本发明的有益效果在于:
1、本发明以(质量百分比)Fe-(15~25)Co/Ni-(9~15)Mo/W为基 础成分,相较于普通高速钢,具有时效硬化显著,过时效温度高 (>600℃)的特点,且导热系数大、加工稳定性高,淬火态硬度低, 被加工性能好;
2、添加25~35wt.%硬质相粉末,可弥补原合金在耐磨性方面的 不足,并提高该合金材料的抗粘着性及抗酸碱耐腐蚀性。
3、采用高温全固溶处理不仅可以破坏沿晶界分布的网状金属间 化合物相,还可以促使TiCN等硬质相及原位生成的金属间化合物均 匀弥散到基体当中,改善合金的高温抗蠕变性能。
该合金在沉淀强化温度高,具有优异的红硬性,可以在不超过600℃ 的环境下进行物理气相沉淀(PVD)涂层而无明显软化和变形,远高 于普通钢结硬质合金。
附图说明
图1为实施例1中沉淀强化型高温钢结硬质合金显微组织SEM照片 (烧结态)
图2为实施例2中沉淀强化型高温钢结硬质合金显微组织SEM照片 (烧结态)
图3为实施例1-4中沉淀强化型高温钢结硬质合金不同性能测试结果
具体实施方式:
以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能,本 领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点 及作用。
实施例1:
1)将粒度为2-4微米的30wt.%TiCN粉,10.5wt.%Mo粉,17.5wt.%Co粉,余量的羟基铁粉以及占总质量比5%的石蜡加入Fe-Cr 不锈钢球磨罐中,将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨,无水乙 醇为球磨介质,硬质合金球为磨球,球料比为3:1,球磨机转速设置 为250r/min,球磨时间为24h,制备得到粉末混合物料浆;
2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方 式快速干燥,干燥温度为78.3℃,过筛后得到混合粉末;
3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制,压强为150Mpa, 慢速升压,保压时间为20s,得到压制坯体。
4)将步骤3所得到的坯体放在真空石墨烧结炉中进行真空烧结, 最终烧结温度为1380℃,保温时间为120min。
5)将步骤4烧结后所得坯料在700℃进行预热,之后在1250℃内 进行固溶处理,炉膛内部通入纯度≧99.9%的氩气,保温时间为30min, 油冷至室温。
6)将步骤5所得坯料在1150℃内进行淬火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为12min,油冷至室温。
7)将步骤6所得坯料在580℃内进行回火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为3h,空冷。
将按照上述方法制得的沉淀强化型高温钢结硬质合金进行性能 测试。
实施例2:
1)将粒度为2-4微米的35wt.%TiC粉,9.75wt.%Mo粉, 16.25wt.%Co粉,余量的羟基铁粉以及占总质量比5%的石蜡加入Fe-Cr不锈钢球磨罐中,将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨, 无水乙醇为球磨介质,硬质合金球为磨球,球料比为3:1,球磨机转 速设置为250r/min,球磨时间为24h,制备得到粉末混合物料浆;
2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方 式快速干燥,干燥温度为78.3℃,过筛后得到混合粉末;
3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制,压强为150Mpa, 慢速升压,保压时间为20s,得到压制坯体。
4)将步骤3所得到的坯体放在真空热压烧结炉中进行热压烧结, 最终烧结温度为1450℃,保温时间为120min,压力为1.0MPa。
5)将步骤4烧结后所得坯料在700℃进行预热,之后在1300℃内 进行固溶处理,炉膛内部通入纯度≧99.9%的氩气,保温时间为30min, 油冷至室温。
6)将步骤5所得坯料在1150℃内进行淬火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为12min,油冷至室温。
7)将步骤6所得坯料在620℃内进行回火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为3h,空冷。
将按照上述方法制得的沉淀强化型高温钢结硬质合金进行性能 测试。
实施例3:
1)将粒度为2-4微米的25wt.%TiCN粉,20.33wt.%MoFe粉, 18.75wt.%Co粉,余量的羟基铁粉以及占总质量比5%的石蜡加入 Fe-Cr不锈钢球磨罐中,将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨, 无水乙醇为球磨介质,硬质合金球为磨球,球料比为3:1,球磨机转 速设置为250r/min,球磨时间为24h,制备得到粉末混合物料浆;
2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方 式快速干燥,干燥温度为78.3℃,过筛后得到混合粉末;
3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制,压强为150Mpa, 慢速升压,保压时间为20s,得到压制坯体。
4)将步骤3所得到的坯体放在真空石墨烧结炉中进行真空烧结, 最终烧结温度为1450℃,保温时间为120min。
5)将步骤4烧结后所得坯料在700℃进行预热,之后在1300℃内 进行固溶处理,炉膛内部通入纯度≧99.9%的氩气,保温时间为30min, 油冷至室温。
6)将步骤5所得坯料在1100℃内进行淬火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为12min,油冷至室温。
7)将步骤6所得坯料在660℃内进行回火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为3h,空冷。
将按照上述方法制得的沉淀强化型高温钢结硬质合金进行性能 测试。
实施案例4:
1)将粒度为0.05-10微米的30wt.%TiCN粉,6.3wt.%W粉, 10.5wt.%Ni粉,余量的羟基铁粉以及占总质量比5%的石蜡加入Fe-Cr 不锈钢球磨罐中,将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨,无水乙 醇为球磨介质,硬质合金球为磨球,球料比为3:1,球磨机转速设置 为250r/min,球磨时间为24h,制备得到粉末混合物料浆;
2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方 式快速干燥,干燥温度为78.3℃,过筛后得到混合粉末;
3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制,压强为150Mpa, 慢速升压,保压时间为20s,得到压制坯体。
4)将步骤3所得到的坯体放在真空石墨烧结炉中进行真空烧结, 最终烧结温度为1380℃,保温时间为120min。
5)将步骤4烧结后所得坯料在700℃进行预热,之后在1250℃内 进行固溶处理,炉膛内部通入纯度≧99.9%的氩气,保温时间为30min, 油冷至室温。
6)将步骤5所得坯料在1150℃内进行淬火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为12min,油冷至室温。
7)将步骤6所得坯料在620℃内进行回火处理,炉膛内部通入纯 度≧99.9%的氩气,保温时间为3h,空冷。
将按照上述方法制得的沉淀强化型高温钢结硬质合金进行性能 测试。

Claims (8)

1.一种沉淀强化型高温钢结硬质合金及制备方法,其中,所述合金以一种沉淀强化钢为粘结相,所述合金的组成为(重量百分比):硬质相25~35%,Co/Ni9.75~18.75wt.%,Mo/W5.85~12.5wt.%,余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的合金,其特征在于,所述粘结相的组成为(质量百分比)Fe-(15~25)Co-(9~15)Mo,Fe-(15~25)Ni-(9~15)W,Fe-(15~25)Co/Ni-(9~15)Mo/W中的一种。
3.根据权利要求1所述的合金,其特征在于,所述粘结相为元素粉(Fe,Co,Mo,Ni,W)和预合金粉(MoFe,FeCoMo,WFe,FeNiW)中的一种或几种,元素粉末粒度范围为1~20微米,预合金粉末粒径范围为10~100微米。
4.根据权利要求1所述的合金,其特征在于,所述硬质相为TiC,TiCN,(W,Ti)C中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的合金,其特征在于,所述合金的制备方法包括以下步骤:
步骤1:按权利要求1所述的成分配比称取原材料粉末,进行混合,采用150MPa压力压制成型,获得压坯;
步骤2:将步骤1所得的压坯在真空/加压炉中进行烧结,最高温度为1380~1550℃,保温120~180min,压力为0.5~3.0MPa;
步骤3:将步骤2中所得的烧结坯进行固溶时效热处理。
6.根据权利要求5所述方法,其特征在于,步骤3中所述的固溶时效热处理工艺为:在1200~1300℃保温30-60min进行全固溶处理,油冷至室温。
7.根据权利要求5所述方法,其特征在于,步骤3中在全固溶处理之后,继续在1100~1150℃进行淬火处理,油冷至室温,然后在570~700℃回火2~4h,空冷至室温。
8.根据权利要求1中所述的合金,其特征在于,该合金在沉淀强化温度高,具有优异的红硬性,可以在不超过600℃的环境下进行物理气相沉淀(PVD)涂层而无明显软化和变形,远高于普通钢结硬质合金。
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