CN201195198Y - 硬质合金双金属复合设备 - Google Patents

硬质合金双金属复合设备 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及硬质合金双金属复合设备,该设备由铸型、电磁感应加热器和水冷底座等组成。在铸型的外部安装有电磁感应加热器,在铸型的底部连接有水冷底座。在复合过程中采用电磁感应加热器在型内直接对所需复合的硬质合金和基体金属液进行加热,有利于硬质合金的准确定位,具有加热速度快,热效率高,金属不易氧化,且有利于上部金属液对凝固金属的流动补缩,可以实现各种成分的硬质合金与基体金属的复合。

Description

硬质合金双金属复合设备 技术领域
本发明涉及硬质合金及其复合材料,特别是一种含有Fe、 Ni、 Cr、 Mo、 Co等合金做粘接 剂的硬质合金和其双金属复合材料制造工艺及设备。
背景技术
硬质合金作为一种高耐磨材料,由于所具有的高硬度、高强度和高的耐磨性而广泛地应 用于刃具、模具、凿具、地质钻探和冶金轧辊等各种高抗磨埙的领域。传统的硬质合金是用 钴做粘接剂,经粉末冶金烧结工艺制造而成的。而钴是稀缺的战略物质,价格高。近年来, 由于世界工业的发展,对钴的需求量越来越大,导致全球性钴供不应求,钴价及番暴涨,使 以钴为主要原料的硬质合金价格也随之大幅度上涨,使本来就昂贵的硬质合金的价格更加昂 贵。同时,由于硬质合金属于高脆性材料,无法用于制作受冲击力大的易磨垠件,且整体硬 质合金件还存在着造价高, 一次性投资大的弊端。因此,从降低成本,提高工作性能和使用 寿命考虑,人们在不断地开发硬质合金复合技术。但是由于使用钴所制造的硬质合金基体WC 对钢(铁)的润湿性不佳,且与钢(铁)的物理性能差异悬殊较大(如线膨胀系数二者之比 近于1: 2),所以两种材料间的结合往往不能充分接触,从二给它们的复合带来相当大的困 难。因线膨胀系数的差异所引起的较大的残余应力,常导致复合工件的破裂,使其不能作为 复合件使用。虽然可以通过增加钴的含量来改善线膨胀系数差,但是钴的增加除提高产品价 格外,还由于过高的钴含量使硬质合金的硬度降低,抗磨性减小,且抗氧化性能力低,易出 现龟裂。如何提高硬质合金的线膨胀系数,改善其性能是一个长期困扰材料工作者而难以根 治的症结。
文献《硬质合金》杂志(1996年第4期第213—215页〉中报导了《硬质合金辊环的试 制》,该报导中公开了几种硬质合金复合轧辊的复合工艺,其中热装法是利用内层的过盈量, 通过加热外层进行热装而使内外层固定在一起的。但硬质合金内外环必须有一定的厚度,以
免在内环张力的作用下破裂。因而用此法生产的复合辊环其硬质合金的节约量是有限的;胶 结法是用环氧树脂之类的强力胶把内外环粘结在一起。但用此法生产的复合辊不宜在高温、 高压力下使用;焊接法是通过真空加热炉将内外环间预置的焊料熔融,把内外环结合为一体。 但焊接用硬质合金中WC的含量受到限制,因而外环的硬度较低,且气孔率较高;热等静压法 是通过装入同一金属包套内外层的铁粉和硬质合金粉,在高压高温下经热等静压成复合辊坯。 该工艺所制造的复合辊环存在着较大的内应力,需在热等静压后缓慢降温,并采用后续热处 理加以消除。该工艺如果内外层间的膨胀系数相差过大还需在内外环间加一层过度材料而后 再压。同时,该工艺还存在着设备投资大,制造工艺复杂,技术难度大,生产成本高等缺陷; 铸造法(包括离心铸造法)是在铸造前先将需结合的硬质合金环的结合面上镀上一层金属镍
作为过渡层,内外环采用铸钢、铸铁材质,以浇注的方法与外环结合成一个整体。但由于受 镀层厚度和镀层质量的影响,仍然没有彻底解决两种材料间的线膨胀系数差的问题,使实际
生产中的成功率很低,至今尚没有成功应用于生产的报导。
我国92101435.X号发明专利中公开了瑞典桑德维克公司所申请的一种《含有烧结硬质合 金和铸铁轧辊及其制备方法》,该方法是通过离心铸造法铸入铁的合金的轧辊主体的一个或几 各烧结硬质合金环。该铸造合金主要包括石墨铸铁,在铸造后含有残余奥氏体。为了减少或 完全消除由于铸造后冷却引起的铸铁和烧结硬质合金之间的局部收縮,该残余奥氏体在随后 的一次或多次热处理中,在体积增加的情况下,全部或部分转变为主要是贝氏体的组织。然 而这种热处理工艺复杂,成本高且费时,所需的镶铸比大(一般要大于10以上),技术难度 大,难以掌握。且所使用的硬质合金仍然是以大量的钴做粘结剂。因而仍然存在着硬质合金 的造价高,硬质合金基体wc与基体钢(铁)的润湿性差,两种材料间的线膨胀系数差异大,
制造中易使两种材料的结合面不能得到充分熔合等缺陷。
目前,在上述各种硬质合金复合制造工艺中,较成功并在工业生产中有应用产品的方法 是铸造法。但目前所采用的各种镶铸复合工艺为了防止硬质合金氧化和做到硬质合金的精确 定位,对硬质合金均不采用预热工艺处理。由镶铸原理可知,两种材料间如果要形成冶金结
合层,其镶铸比必须大于10以上,当镶铸比小于10时,复合界面将不能形成完整的冶金结
合层,从而限制了应用领域。目前所使用的硬质合金均使用大量的钴做粘结剂或在粘结剂中
添加部分镍、铬,致使硬质合金的价格昂贵,且还存在着硬质合金的基体wc与基体钢(铁)
的润湿性差,两种材料间的线膨胀系数相差大,制造中易使两种材料间的结合界面不能得到 充分熔合等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种不含钴或含有少量钴的合金做粘结剂的新型低成本硬质合金,
使其对基体钢(铁)有着较好的润湿性和较小的膨胀差,能够与基体钢(铁)实现良好复合;
并提供一种具有复合工艺简单,技术易于实现,设备造价低,复合产品性能好,生产成本低 的硬质合金双金属复合设备。
解决其技术问题的设备方案是:该设备由铸型、电磁感应加热器和水冷底座组成,在铸型 的外部安装有电磁感应加热器,在铸型的底部连接有水冷底座、金属底板,在水冷底座的任 一侧面的底部安装有进水管,上部安装有出水管,在铸型的内腔与硬质合金之间还根据需要 安装有金属隔套、板。
当使用电磁感应加热器时,铸型材料可由耐火材料、石墨材料或导磁材料制作,当不使 用电磁感应加热器时,铸型材料可由耐火材料、石墨材料或耐热钢、耐热铁制作。 铸型底部由耐火材料直接制作,不安装在水冷底座上。
铸型即可以是圆形,亦可以是矩形、长方型各种几何形状的整体结构或双开合哈复式结 构或组合式结构。
解决其技术问题的方案是:采用含C 1. 5—3. 8%, Cr 15—27%,余Fe,或含C 1. 5—3. 8%, Cr 15~27%, Ni 0. 4—2. 5%,余Fe,或C 1. 5—3. 8%, Cr 15—27%, Co 0. 5—3%, Mo 0. 4— 3%, V 0. 2—2%,余Fe,或在上述各成分的合金中加入适量铈或镧或钇等成分的稀土及稀土 合金的高铬铸铁和改进型高铬铸铁合金代替目前国内外所广泛采用的钴或钴、镍、铬混合合 金做硬质合金的粘结剂,将含量为10%—40%的上述各成分中的任何一种成分的高铬铸铁粘结 剂与含量为90%~€0%的WC颗粒或TiC颗粒,或WC和TiC的混合体,或在上述硬质合金颗粒 中加入总量为8%以下的TaC或10%以下的NbC,或在上述硬质合金颗粒中加入总量为4%以下 的VC、或硼化物或氮化物,或在上述各成分中的硬质合金中加入总量为0.1%—2%的硬质合金 和高铬铸铁晶粒长大抑制剂VC、 Cr3G、 Mo2C,或其中的任何一种,共同混合后,采用通用的 各种粉末冶金烧结工艺制造成含有高铬铸铁的硬质合金。
实现上述硬质合金与钢(铁)两种材料间复合成一体的工艺技术方案是:将1个或多个 上述各成分中的任何一种硬质合金经表面清洗和去除氧化物后烘干,在其需复合的部位的表
面上涂覆 一层1—4ram厚的铸铁粉或含有10%—50% WC等硬质合金颗粒的铁粉或含有2%—10% 镍的铁粉或含有10%—50% WC等硬质合金颗粒、2%—10%镍、2%—15%铬及1%—5%的钼和 其它合金的铁粉,将其固定在外部安装有电磁感应加热器的铸型中的所需位置尺寸上,将铸 型安装在水冷底座(或金属底板)上(或不安装在水冷底座上),在铸型的内腔与硬质合金之 间安装一金属隔套(板),在铸型内的硬质合金与隔套(板)之间设有浇注口和保温冒口,在 铸型的中心设有另一浇注保温冒口,打开进水阀门将冷却水通过进水管8进入水冷底座6, 然后通过出水管7流出,启动电磁感应加热器,对铸型内的硬质合金和隔套(板)进行感应 加热,当加热到400~1250度时,将熔化好的含有C 1.5—3.8%, Cr 15—25%,余为铁,或 含有C1.5—3.896, Crl5—25%, Ni 2—5. 5%,余为铁的高铬铸铁和含有C 2. 5—3. 8%, Si 1. 5 _2.5%, Mn 0.2—0.6%, Ni 3—5.5%, Mo 0.1~0.4%, Mg 0.04~0.06%,余为铁的球墨铸铁 分别加热到1400"1550度后,分别通过各自的浇注口浇入到铸型中,使基体形成梯度复合, 以便于后续的机械加工。也可以在铸型内不安装隔套(板),直接将上述基体金属中的任何一 种直接浇入铸型内,在浇注过程中电磁感应加热器不停止加热,铸型充满后,电磁感应加热 器再继续加热3—20分钟后停止加热,以获得硬质合金与基体金属材料之间1—5mm宽的过度 层,使两种材料间形成冶金结合,实现两种材料直接复合成一体。待铸型冷却后,将铸型整 体吊出,脱模,取出硬质合金复合坯体,送入热处理炉中进行球化退火处理,以消除铸造应 力和转变基体金属的铸态组织。
本复合工艺除适合本专利所述成分的硬质合金外,亦同时也适合于传统的含有钴或钴、 镍、铬的混合物做粘结剂的硬质合金的复合,其复合效果相同。
有益效果:上述方案中,使用该发明成分的硬质合金具有生产成本低,性能好,与WC—
Co的硬质合金基本相同,甚至超过其性能。该成分的硬质合金与钢(铁)有较好的润湿性, 线膨胀系数比WC"Co的硬质合金高3(m以上,和铁接近,有利于与钢(铁)的复合,两种材 料间有着良好的熔合性。使用该发明的双金属复合工艺制造硬质合金双金属复合材料时,生 产工艺简单,易于操作,生产效率高,成本低,设备简单投资小,由于采用电磁感应加热器 在型内直接对所需复合的硬质合金进行加热,有利于硬质合金的准确定位,减少了由于型外 加热所来回移动工件的工序,具有加热速度快,热效率高,金属不易氧化,有利于界面的冶 金结合;浇注过程中继续加热,可以利用电磁搅拌作用,增加液态金属对硬质合金表面的冲 刷,促进两者之间的物质和能量交流,从而可以大大提高界面的冶金结合;在铸型底部使用 水冷底座(金属板)可以加快复合基体金属的冷却速度,实现至下而上的顺序凝固,结晶组 织优良,通过感应加热有利于上部金属液对凝固金属的流动补縮,可以实现各种成分的硬质 合金的复合。
附图说明
图1为本发明第一实施例。 图2为本发明第二实施例。 图3为本发明第三实施例。 图4为本发明第四实施例。 图5为本发明第五实施例。 图6为本发明第六实施例。
图7为本发明第七实施例。 图8为本发明第八实施例。 图9为本发明第九实施例。
具体实施方式
实施例1:该设备由铸型、电磁感应加热器和水冷底座组成,在铸型的外部安装有电磁 感应加热器,在铸型的底部连接有水冷底座、金属底板,在水冷底座的任一側面的底部安装 有进水管,上部安装有出水管,在铸型的内腔与硬质合金之间还根据需要安装有金属隔套、 板。
当使用电磁感应加热器时,铸型材料可由耐火材料、石墨材料或导磁材料制作,当不使 用电磁感应加热器时,铸型材料可由耐火材料、石墨材料或耐热钢、耐热铁制作。 铸型底部由耐火材料直接制作,不安装在水冷底座上。
铸型即可以是圆形,亦可以是矩形、长方型各种几何形状的整体结构或双开合哈复式结
构或组合式结构。
在图1中,将10%—40%的含有以下成分和百分比的高铬铸铁或改进型高铬铸铁作为硬质
合金的粘结剂-
(1) C 1.5—3.8%, Cr 15—27%,余Fe;
(2) C 1.5—3.8%, Cr 15—27%, Ni 0.4—2.5%,余Fe;
(3) C 1.5—3.8%, Cr 15—27%, Co 0.5—3%, Mo 0.4—3%, V 0.2—2%,余Fe;
(4) 在上述各成分的合金中还可以加入适量铈或镧或钇等成分的稀土及稀土合金的高铬 铸铁和改进型高铬铸铁合金。
将含量为90%~60%的含有以下成分和百分比的硬质合金颗粒作为硬质相。
(1) WC颗粒100%;
(2) TiC颗粒10(^;
(3) 曹(:颗粒70%~^0%; TiC颗粒3TO—l(^;
(4) 在上述硬质合金颗粒中还可以加入总量为8%以下的TaC或10%以下的NbC;
(5) 在上述各成分中的硬质合金颗粒中加入总量为4%以下的VC、或硼化物或氮化物颗 粒,或在上述各组分中的硬质合金中还可以加入总量为0.1%—2%的硬质合金和高铬铸铁晶粒 长大抑制剂VC、 Cr3C2、 Mo2C,或其中的任何一种。
将上述组分的粘结剂按所需百分比和上述组分的硬质合金颗粒按所需百分比进行配比, 其两种材料的合计组成比为100%。将所配制好的上述组分的硬质合金经湿磨、参蜡(或参胶)、
烘干、压制成型、高温烧结(保护气氛烧结、真空烧结、等静压烧结)后制造成所需形状和
尺寸的硬质合金。
实施例2:在图2中,该设备由用耐火材料制成的铸型4,在铸型4的外部安装有电磁感 应加热器5,铸型4的底部连接有水冷箱底座6,在水冷箱底座6的任一侧面的底部安装有进 水管8,在水冷箱底座6的任一側面的顶部安装有出水管7,在铸型4的顶部连接有浇注保温
冒口 1。
工作开始时,将上述各成分中的任何一种硬质合金3经表面清洗和去除氧化物后烘干, 在其需复合的部位的表面上涂覆一层l一4mm厚的铸铁粉9或含有2%_10%的镍的铁粉9或 含有10%—50% WC等硬质合金颗粒的铁粉或含有2%—10%镍的铁粉或含有10%~-50% WC等硬 质合金颗粒、2%—10%镍、2%—15%铬及1%—5%的钼和其它合金的铁粉9 (或不涂覆上述各 成分的铁粉9),固定在外部安装有电磁感应加热器5的铸型4中的所需位置尺寸上,将铸型 4安装在水冷底座(或金属底板)6上,在铸型4的中心设有一浇注保温冒口 1,打开进水阀 门将冷却水通过进水8进入水冷底座6,然后通过出水管7流出,启动电磁感应加热器5,对
铸型4内的硬质合金3进行感应加热,当加热到40H250度时,将熔化好的含有C 1. 5— 3.8%, Cr 15—25%,余为铁,或含有C 1.5—3.8%, Cr 15—25%, Ni 2—5.5%,余为铁的高 铬铸铁2,或含有C 2. 5—3. 8%, Si 1. 5—2. 5%, Mn 0. 2—0. 6%, Ni 3—5. 5%, Mo 0. l一O. 4%, Mg 0. 04~0. 06%,余为铁的球墨铸铁2,加热到1400~1550度后,经浇注保温冒口l浇入到 铸型4中,电磁感应加热器5继续加热,铸型4充满后,电磁感应加热器5在继续加热3— 20分钟后停止加热,以获得硬质合金3与基体金属材料2之间l一5mm宽的过度层21,实现 两种材料间的冶金结合。待铸型4冷却后,将铸型4整体吊出,脱模,取出硬质合金复合坯 体,送入热处理炉中进行球化退火处理,以消除铸造应力和转变基体金属的铸态组织。
采用上述工艺同时还可以对各种用钴或钴和镍、铬合金的混合体做粘结剂的硬质合金或 其它各种金属材料进行双金属复合。
实施例3:在图3中,与图2的不同点为在铸型4内安装了2个或多个硬质合金10,重 复上述工艺过程,即可实现多个硬质合金的同时复合。其它过程及设备与实施例2相同。略。
实施例4:在图4中,与图2的不同点为铸型4的底部是采用耐火材料直接制作,在铸 型4的底部不安装水冷底座6。其它过程及设备与实施例2相同。略。
实施例5:在图5中,与图3的不同点为铸型4的底部是采用耐火材料直接制作,在铸 型4的底部不安装水冷底座6。其它过程及设备与实施例3相同。略。
实施例6:在图6中,与图4的不同点为在铸型4的内腔与硬质合金3和IO之间安装一 金属隔套、板11,在铸型内的硬质合金3和10与隔套、板11之间设有浇注口 14和保温冒 口 13,在铸型的中心设有另一浇注保温冒口 1,铸型4的底部直接由耐火材料直接制作(也 可安装在水冷底座6的上面),设备其它部分与实施例3相同。略。
实施例7:在图7中,与图5的不同点为铸型5的外部不安装电磁感应加热器5,设备其 它部分与实施例2相同。略。
实施例8:在图8中,与图7的不同点为在铸型4的顶部安装有压力机19,在压力机19 的下面连接有挤压头20,设备其它部分与实施例2相同。略。
实施例9:在图9中,与图7的不同点为铸型4安装在离心机上,设备其它部分与实施 例2相同。略。

Claims (4)

1.一种硬质合金双金属复合设备,其特征是:该设备由铸型、电磁感应加热器和水冷底座组成,在铸型的外部安装有电磁感应加热器,在铸型的底部连接有水冷底座、金属底板,在水冷底座的任一侧面的底部安装有进水管,上部安装有出水管,在铸型的内腔与硬质合金之间还根据需要安装有金属隔套、板。
2、 根据权利要求1所述的硬质合金双金属复合设备,其特征是:当使用电磁感应加热器 时,铸型材料可由射火材料、石墨材料或导磁材料制作,当不使用电磁感应加热器时,铸型 材料可由耐火材料、石墨材料或耐热钢、耐热铁制作。
3、 根据权利要求1所述的硬质合金双金属复合设备,其特征是:铸型底部由耐火材料直接 制作,不安装在水冷底座上。
4、 根据权利要求1所述的一种硬质合金双金属复合设备,其特征是:铸型即可以是圆形, 亦可以是矩形、长方型各种几何形状的整体结构或双开合哈复式结构或组合式结构。
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