CN114892042A - 一种耐高温铁镍合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐高温铁镍合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温铁镍合金及其制备方法和应用，属于金属合金材料技术领域。本发明的耐高温铁镍合金包括以下质量百分比的组分：镍30％～50％，铁10％～40％，碳0.01％～0.09％，其余为稀有金属中的一种或多种。本发明制备得到的铁镍合金最高烧结温度可在1500℃以上，熔点在1650℃以上，具有极好的耐高温性能。采用本发明制备的耐高温铁镍合金制备嵌入式硬质合金铣刀可以克服现有技术中的外螺纹制备工艺复杂(需要磨制)、工期长的问题，还可以避免由于刀杆和外螺纹都是比较硬的材料，使用时产生拉力会导致一方破损(整体刀头报废)的问题。

Description

一种耐高温铁镍合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及金属合金材料技术领域，特别是涉及一种耐高温铁镍合金及其制备方法和应用。
背景技术
铣刀头是铣床上的专用部件，铣刀装在铣刀盘上，铣刀盘通过键与轴连接，当动力通过V带传给带轮，经键传到轴，即可带动铣刀盘转，对零件进行铣削加工。现有技术中普遍采用的铣刀头是大直径硬质合金波纹铣刀的铣刀头，与刀杆及延长杆等内螺纹配合的外螺纹与前端整体的硬质合金铣刀头为一个整体，是一块硬质合金一起烧制出来的，这种铣刀的外螺纹是需要金刚石砂轮磨制的，因为硬度较高工期会很长，而且一旦螺纹磨损严重就导致已经烧结好的整体刀头报废；并且即使外螺纹加工的很好，后面连接的刀杆是硬质合金刀杆时(也有金属刀杆，但是抗震性不如硬质合金刀杆的好)，则硬质合金内外螺纹拧在一起，因为两种材料都比较硬，做铣削加工的时候不可避免的产生拉力会导致一方破损，则该整体刀头报废。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温铁镍合金及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种耐高温铁镍合金，包括以下质量百分比的组分：镍30％～50％，铁10％～40％，碳0.01％～0.09％，其余为稀有金属中的一种或多种。
进一步地，所述稀有金属为钨、钽、铌和锆。
本发明的技术方案之二：一种上述的耐高温铁镍合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按质量百分比称取原料混合均匀后，湿磨、干燥，注射成型得到合金坯体，然后对合金坯体进行高温烧结，得到所述耐高温铁镍合金。
进一步地，所述湿磨具体包括：将溶剂和原料以质量比2:1～3:1的比例混合均匀，进行球磨；所述溶剂为水或乙醇；所述球磨的温度为5℃～25℃，时间为20h～100h；所述干燥选自喷雾干燥、烘箱干燥。
进一步地，所述球磨采用的磨介为硬质合金球或钢球；所述磨介与原料的质量比为5:1～7:1。
进一步地，所述注射成型的具体条件设置如下：喂料温度为100℃～150℃，注射压力为100bar～150bar，注射速度为10％～30％，注射时间为 5s～8s，锁模压力为80bar～120bar，保压压力为30bar～50bar，保压时间为 2s～4s。
进一步地，所述高温烧结选自真空烧结、氩气或氮气气氛烧结、氩气或氮气气压烧结、热等静压烧结中的一种。
进一步地，所述真空烧结具体包括：在低于100Pa的真空中升温至650℃～750℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1000℃～1100℃保温0.5h～2h，最后再升温至1480℃～1510℃保温0.5h～2h，烧结完成随炉冷却至室温；
所述氩气或氮气气氛烧结具体包括：在1kPa～3kPa氩气或氮气气氛中升温至750℃～800℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1100℃～1250℃保温0.5h～2h，最后再升温1510℃～1550℃保温0.5h～2h，烧结完成随炉冷却至室温；
所述氩气及氮气气压烧结具体包括：在5MPa～10MPa氩气或氮气气氛中升温800℃～850℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1250℃～1350℃保温 0.5h～2h，最后再升温1550℃～1580℃保温0.5h～2h，烧结完成随炉冷却至室温；
所述热等静压烧结具体包括：在低于100Pa的真空中升温至650℃～750℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1000℃～1100℃保温0.5h～2h，最后通入 120MPa～160MPa氮气或氩气升温至1470℃～1500℃保温20min～40min，烧结完成随炉冷却至室温。
本发明的技术方案之三：一种上述的耐高温铁镍合金在制备硬质合金刀具中的应用。
所述硬质合金刀具为嵌入式硬质合金铣刀；所述嵌入式硬质合金铣包括：刀头和刀柄连接杆，在刀头上设置有排料槽，刀柄连接杆上设置有安装位、刀柄连接部位和排气孔。
进一步地，所述嵌入式硬质合金铣刀的制备具体包括：将制备刀头的硬质合金粉末压制成型后烧结，插入用上述的耐高温铁镍合金制备具有安装位、刀柄连接部位和排气孔的刀柄连接杆上，硬质合金粉末等静压成形包裹住刀柄连接杆上，然后进行烧结得到所述嵌入式硬质合金铣刀；所述嵌入式硬质合金铣刀刀头的直径为40～50cm。
更进一步地，所述硬质合金刀具包括大直径铣刀、大直径丝锥、钻头等圆柱形硬质合金刀具。
本发明公开了以下技术效果：
1.通过在铁镍合金中掺杂一定量熔点高的稀有金属元素(钨，铌，钽，锆)，可以明显提高铁镍合金熔点，从而获得优异的耐高温性能。
2.通过优化碳含量，使得该铁镍合金在兼具优异耐高温性能的同时，还具备出色的力学性能，具体表现为较低的硬度和良好的延展性。
3.用本发明的耐高温铁镍合金制备嵌入式硬质合金铣刀，与其他整体硬质合金铣刀相比，其坚硬的硬质合金刀头部分不会直接与坚硬的硬质合金刀杆进行螺旋拧紧，而是以本发明延展性良好，硬度较低的耐高温铁镍合金所制成的具有内螺纹的芯部进行螺旋拧紧，这样就克服了其他整体硬质合金铣刀与硬质合金刀杆进行螺旋拧紧后，由于拧紧的两部分延展性较差且硬度较高导致铣削加工过程中该部分产生较大的应力集中，从而容易造成的脆性断裂。
4.将注射成型好的铁镍合金芯部插入压制好的硬质合金刀头内，然后进行共烧，这样芯部与刀头主体就可以结合得更紧密，满足铣削加工需要。且外螺纹部分可以通过机加工获得，并不是通过磨制，可大量降低成本，改善上面提到的整体硬质合金磨该处导致的报废问题。
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为大直径硬质合金波纹铣刀铣刀头的结构示意图，其中1为刀头，2为刀柄连接杆，101为排料槽，201为通孔；
图2为本发明实施例10制备的嵌入式硬质合金铣刀剖面结构示意图，其中，1为刀头，2为嵌入式刀柄连接杆，101为排料槽，202为通孔，203 为安装位、204为刀柄连接部位；
图3为本发明实施例10制备的嵌入式硬质合金铣刀剖面结构示意图，其中1为刀头，101为排料槽，102为嵌入槽。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明以下实施例和对比例中所用原料的技术指标如表1所示：
表1
C，wt.％ S，wt.％ O，wt.％ N，wt.％ D50，μm
镍粉 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
铁粉 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
钨粉 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
铌粉 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
钽粉 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
锆粉 ≤0.03 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
碳粉 ≥99.5 ≤0.02 ≤0.5 ≤0.03 1.0～3.0
实施例1
一种耐高温铁镍合金的制备方法：
(1)按质量分数计，取40％镍、40％铁、20％钨粉体原料，将总碳量以加入碳粉的形式调整到0.05％，将乙醇和原料以质量比2:1的比例混合均匀，以硬质合金球(直径8mm)与原料的质量比为5:1的条件下，在温度为20℃的条件下球磨50h，然后采用喷雾干燥，得到干燥的混合粉末。
(2)将混合粉末利用注射成型的方法制成合金坯体，注射成型的条件如下：喂料温度120℃，注射压力为120bar，注射速度为20％，注射时间 6s，锁模压力为96bar，保压压力为40bar，保压时间为3s。
(3)将合金坯体放入高温真空烧结炉中，在80Pa的真空中升温至700℃保温1h，然后继续升温至1050℃保温1.5h，最后再升温至1490℃保温0.5h，烧结完成随炉冷却至室温，得到耐高温铁镍合金。
实施例2
同实施例1，区别在于，原料的组成及用量为：按质量分数计，取45％镍、40％铁、10％钨、5％铌粉体原料，将总碳量以加入碳粉的形式调整到 0.03％。
实施例3
同实施例1，区别在于，步骤(3)具体为：将合金坯体放入烧结炉中，在2kPa氩气气氛中升温至780℃保温2h，然后继续升温至1200℃保温1h，最后再升温至1530℃保温1.5h，烧结完成随炉冷却至室温，得到耐高温铁镍合金。
实施例4
同实施例1，区别在于，步骤(3)具体为：将合金坯体放入烧结炉中，在8MPa氮气气氛中升温830℃保温2h，然后继续升温至1300℃保温1h，最后再升温至1560℃保温1h，烧结完成随炉冷却至室温，得到耐高温铁镍合金。
实施例5
同实施例1，区别在于，步骤(3)具体为：将合金坯体放入烧结炉中，在70Pa的真空中升温至700℃保温1h，然后继续升温至1050℃保温2h，最后通入140MPa氮气升温至1480℃保温30min，烧结完成随炉冷却至室温，得到耐高温铁镍合金。
实施例6
同实施例1，区别在于，步骤(2)将混合粉末利用注射成型的方法制成合金坯体，注射成型的条件如下：喂料温度100℃，注射压力为130bar，注射速度为30％，注射时间5s，锁模压力为104bar，保压压力为50bar，保压时间为2s。
实施例7
同实施例1，区别在于，步骤(1)中采用烘箱干燥80℃。
对比例1
同实施例1，区别在于，通过碳粉添加调整的总碳量为0.1％。
对比例2
同实施例1，区别在于，步骤(2)的喂料温度为160℃。
对比例3
同实施例1，区别在于，步骤(3)的最高烧结温度为1520℃。
效果例1
测定实施例5制备得到的合金的性能，测试标准为GB/T7964-2020结果见表2。
表2
Figure BDA0003605737880000081
Figure BDA0003605737880000091
实施例8
采用实施例5制备得到的耐高温铁镍合金制备嵌入式硬质合金铣刀；
嵌入式硬质合金铣刀的具体制备方法为：
(1)原料准备：实施例5制备得到的耐高温铁镍合金作为制备原料。
(2)外螺纹部分可以通过机加工获得。
(3)前端硬质合金部分(2号)使用的合金材料为YG20(除YG20 以外，烧结温度区间与本发明制备的耐高温铁镍合金相同或相似的所有硬质合金材料均可以作为本发明实施例前端硬质合金材料，均不影响技术效果的实施)是粉末压制成形后再进行烧结，再粉末压制成形的时候可以把检测所有尺寸都合格的耐高温铁镍合金芯插入粉末中，粉末等静压成形就会包裹住耐高温铁镍合金芯(1号芯)。
(4)烧结：然后一同进入烧结工艺(此烧结工艺为权利要求提到的任意一种烧结工艺)，则1号芯不融化，2号烧结时候会收缩进一步包紧1 号芯(可以有内孔或实心)；且1号芯制备时候的形状，如图2中的3位置所示，会进一步起到卡紧作用，此外，2号烧结时，和1号芯接触面高温烧结段会形成表面扩散及共烧，进一步提高表面结合力。
本发明制备的嵌入式硬质合金铣刀的剖面结构示意图见图2和图3，现有技术中采用的大直径硬质合金波纹铣刀的铣刀头结构示意图见图1。
图1中具有排料槽101的刀头1和具有通孔201的刀柄连接杆2为一个整体，是一块硬质合金一起烧制出来的。
本发明制备得到的嵌入式硬质合金铣刀的刀头1和嵌入式刀柄连接杆 2是不同的合金烧制出来的；刀头1上具有排料槽101；嵌入式刀柄连接杆 2上具有通孔202，安装位203，刀柄连接部位204；嵌入式刀柄连接杆2 和刀头1通过烧结工艺连接在一起，使刀头1上形成与刀柄连接杆2上的安装位203相配合的插槽102，具体结构如图2和图3所示；制备得到的刀头直径为40cm。
效果例2
采用本发明实施例8制备得到的嵌入式硬质合金铣刀的使用效果数据，并以现有技术中的整体硬质合金波纹铣刀的铣刀头作对比，结果见表3。
表3
Figure BDA0003605737880000111
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种耐高温铁镍合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：镍30％～50％，铁10％～40％，碳0.01％～0.09％，其余为稀有金属中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的耐高温铁镍合金，其特征在于，所述稀有金属为钨、钽、铌和锆。
3.一种权利要求1～2任一项所述的耐高温铁镍合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按质量百分比称取原料混合均匀后，湿磨、干燥，注射成型得到合金坯体，然后对合金坯体进行高温烧结，得到所述耐高温铁镍合金。
4.根据权利要求3所述的耐高温铁镍合金的制备方法，其特征在于，所述湿磨具体包括：将溶剂和原料以质量比2:1～3:1的比例混合均匀，进行球磨；所述溶剂为水或乙醇；所述球磨的温度为5℃～25℃，时间为20h～100h；所述干燥选自喷雾干燥、烘箱干燥。
5.根据权利要求4所述的耐高温铁镍合金的制备方法，其特征在于，所述球磨采用的磨介为硬质合金球或钢球；所述磨介与原料的质量比为5:1～7:1。
6.根据权利要求3所述的耐高温铁镍合金的制备方法，其特征在于，所述注射成型的具体条件设置如下：喂料温度为100℃～150℃，注射压力为100bar～150bar，注射速度为10％～30％，注射时间为5s～8s，锁模压力为80bar～120bar，保压压力为30bar～50bar，保压时间为2s～4s；所述高温烧结选自真空烧结、氩气或氮气气氛烧结、氩气或氮气气压烧结、热等静压烧结中的一种。
7.根据权利要求6所述的耐高温铁镍合金的制备方法，其特征在于，所述真空烧结具体包括：在低于100Pa的真空中升温至650℃～750℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1000℃～1100℃保温0.5h～2h，最后再升温至1480℃～1510℃保温0.5h～2h，烧结完成随炉冷却至室温；
所述氩气或氮气气氛烧结具体包括：在1kPa～3kPa氩气或氮气气氛中升温至750℃～800℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1100℃～1250℃保温0.5h～2h，最后再升温1510℃～1550℃保温0.5h～2h，烧结完成随炉冷却至室温；
所述氩气及氮气气压烧结具体包括：在5MPa～10MPa氩气或氮气气氛中升温800℃～850℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1250℃～1350℃保温0.5h～2h，最后再升温1550℃～1580℃保温0.5h～2h，烧结完成随炉冷却至室温；
所述热等静压烧结具体包括：在低于100Pa的真空中升温至650℃～750℃保温0.5h～2h，然后继续升温至1000℃～1100℃保温0.5h～2h，最后通入120MPa～160MPa氮气或氩气升温至1470℃～1500℃保温20min～40min，烧结完成随炉冷却至室温。
8.一种权利要求1～2任一项所述的耐高温铁镍合金在制备硬质合金刀具中的应用。
9.根据权利要8所述的应用，其特征在于，所述硬质合金刀具为嵌入式硬质合金铣刀；所述嵌入式硬质合金铣包括：刀头(1)和刀柄连接杆(2)，在刀头(1)上设置有排料槽(3)，刀柄连接杆上(2)设置有安装位(4)、刀柄连接部位(5)和排气孔(6)。
10.根据权利要9所述的应用，其特征在于，所述嵌入式硬质合金铣刀的制备具体包括：将制备刀头(1)的硬质合金粉末压制成型后烧结，插入用权利要求8所述的耐高温铁镍合金制备具有安装位(4)、刀柄连接部位(5)和排气孔(6)的刀柄连接杆上(2)，硬质合金粉末等静压成形包裹住刀柄连接杆上(2)，然后进行烧结得到所述嵌入式硬质合金铣刀；所述嵌入式硬质合金铣刀刀头的直径为10～60mm。
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