CN85100348A - 双晶优化比为2.2的碳化钨-钴合金的制法 - Google Patents
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Abstract
双晶优化比为2.2的WC-Co合金的制法,属于粉末冶金生产工艺领域。它是制取WC平均晶粒2.2~3.2(微米)具有优化比K=WC细/WC粗=2.2±0.1的“双重晶粒结构”WC-Co类合金的工艺方法。此法的特征在于选用两种不同粒度范围的WC粉,以分批进料湿磨混合的方法制备混合料。最后经均匀磁场真空烧结炉烧结而制得。此法制得的WC-Co类低钴凿岩合金,其孔隙度为0.02%,在f=12-14的石英砂岩中合金的使用寿命超过600米/只钎头。
Description
本发明属于粉末冶金生产工艺领域,硬质合金的WC晶粒组成及结晶形态,对WC-Co类凿岩硬质合金的物理机械性能及使用效果有着重大的影响,合金的组织结构与性能的关系是材料科技人员十分关注的问题。
为制取高抗冲击能力含钴量低的WC-Co类合金,目前有多种方法。应用热等静压技术生产低孔隙的合金获得明显的成效,但设备复杂,生产成本高昂,投资为采用氢气钼丝炉或真空烧结炉方法生产的3-5倍,推广受到限制。生产厂家力图通过提高WC晶粒尺寸来提高合金韧性,往往因WC晶粒不够完整,在冲击力作用下,易产生“穿晶断裂”。也由于WC晶粒增粗,晶粒间的邻接度增大,当WC晶粒尺寸增大到某一范围时,合金的强度反而下降。因此,WC-Co类凿岩合金的耐冲击能力问题,至今尚未得到满意的解决。
美国Rudy教授1976年先后两次提及“双重晶粒结构”(dual grain structcere)的概念,并以WC-Tic-Co系切削用硬质合金为例作阐述。至于实践中如何实现,能否应用于WC-Co类凿岩合金的生产,都未能提及。日本铃木寿教授还认为属于非均匀类的“双重晶粒结构”硬质合金中大WC晶粒将成为裂纹源而降低合金的强度。因此,WC-Co类凿岩合金的理想结构尚未定论,工艺方法也有待于探索。
本发明的目的在于制取一种“双重晶粒结构”并且WC晶粒优化比K=2.2±0.1的凿岩用WC-Co类硬质合金,此类合金其WC晶粒平均尺寸2.2-3.2(微米),其两侧有两个粒度范围,它们的个数比例关系是:大于平均晶粒尺寸的WC粗=(30~32)%,小于平均晶粒尺寸的WC细=(70~68)%,其优化比K=WC细/WC粗=2.2±0.1。
本发明的特点在于选用粒度不同的粗细两种W粉制取粒度不同结晶完整的粗、细两种W粉,以1∶2的配比作两次投料分段湿磨最后采取真空磁场烧结,获得了凿岩用WC-Co类“双重晶粒结构”硬质合金。
本发明的方法过程(1)在于选用一阶段还原制得的粒度大于12(微米)的粗W粉和粒度为5~9(微米)的细W粉,按6.04~6.10%的比例配碳,制取结晶完整、粗细不同的两种WC粉。其总碳含量为(6.12~6.16)%,游离碳则应小于0.06%,平均粒度分别为>12(微米)和>6(微米)。方法过程(2)在于选用两次投料分段湿磨的方法制备混合料。第一次投细WC粉占WC粉总用量的2/3(重量)和全批量钴粉,加酒精磨(16~24)小时。第二次投入粗WC粉,占WC总用量的1/3,加酒精继续研磨14~18小时,具体方案见表一。对于同一种粒度较粗的WC粉,采用表一的工艺方案,也能得到较大K值的合金,方法过程之(3)在于选用“磁场烧结法及其烧结炉”的烧结设备和工艺,在大于100(奥)磁场中,按升温-固相预烧-升温-液相烧结-冷却等五个阶段进行,其中以固相预烧和液相烧结两个阶段最重要。预烧温度在1200-1260℃范围,并按含钴量升高或碳含量升高,烧结温度取下限,反之取上限。保温时间依产品单重确定,单重在12-100克时,保温时间90~120分钟。烧结温度在1460~1420℃范围。对于含钴量(4-10)%(重量),平均晶粒尺寸2-4(微米)的WC-Co合金,随含钴量增加和晶粒降低烧结温度适当降低,采用普通真空炉烧结,应用以上工艺也能获得一定效果。
表一 两次进料分段湿磨混料方案
注:〔1〕-用f·s·s·s法测定。
〔2〕-为合金中WC总量的百分数。
采用上述方法生产的合金,WC晶粒的分布状态见附图一、附图二。其特点是K=2.2±0.1且具有双峰分布的规律。
其实施例为:以橡胶(或石蜡)作成型剂,制取WC-(6~9.5)%钴的合金,其过程及效果如下:
以松装比重2(克/厘米3)的合格WO3粉,在钼丝炉和五带七管炉中用氢气一次还原成粗、细两种不同粒度范围的钨粉,并在碳管炉中制取WC粉。还原及碳化工艺制度如下:
粗W粉的制取:以装舟量2.5公斤/舟,推舟速度每40分钟推一舟,在1200±10(℃)的钼丝炉中一次还原得到氧含量0.058%,铁含量0.005%,平均粒度大于12(微米)的粗W粉。
粗WC粉的制取:将粗W粉按6.04~6.10%比例配碳,以每50分钟推一舟的速度在直径为128毫米的碳管炉中,在1870±50(℃)的温度下碳化,得到总碳为(6.14~6.16)%,游离碳小于0.06%,铁小于0.1%,松装比重大于5.5(克/厘米3),平均粒度大于12(微米)的粗WC粉。
细W粉的制取:以装舟量300克/舟,每25分钟推一舟的速度,在900~930(℃)的马弗炉中一次还原得到氧含量0.08%,铁含量0.003%,松装比重3.3(克/厘米3),平均粒度6.4(微米)的细W粉。
细WC粉的制取:将细W粉按(6.04~6.10)%比例配碳,以每50分钟推一舟的速度,在直径为128毫米的碳管炉中于1750~1800(℃)下碳化,得到总碳(6.14~6.16)%,游离碳小于0.05%,铁小于0.1%,松装比重5(克/厘米3),平均粒度大于6(微米)的细WC粉。
两次投料分段湿磨的工艺:第一段取细WC粉123公斤,钴粉17.3公斤,工业酒精27立升,装入180立升的球磨机内研磨23小时;第二段加入粗WC粉60公斤,酒精13立升,球磨14小时,球料比4∶1,大小球比1∶1。
将料浆干燥后加入浓度11.6%的橡胶汽油溶液80(ml/kg),在螺旋混合机中掺和均匀于蒸汽干燥柜内干燥,经擦筛后制得掺胶(蜡)混合料,经成型、压坯干燥、排胶(蜡)、预烧等主要工序制成烧结前的压坯,此时压坯的化学成份:含钴量:8.52%,铁0.09%,总碳5.51%,氧0.16%。
根据“均匀磁场烧结法及其烧结炉”提供的立式真空磁场烧结炉进行烧结,具体烧结工艺如表二:
表二 WC-8.5%Co合金的烧结工艺
结果:得到的WC-8.5%Co合金的抗弯强度285(公斤/毫米2),硬度88.3HRA,顽磁力83(奥),密度14.81(克/厘米3),合金断口粗视组织无脏化,孔隙度为0.02%,平均晶粒度2.6(微米)。WC的平均晶粒分布规律如附图一,其中小于平均晶粒尺寸的细WC晶粒数占总数的69.13%,其优化比K=2.24(即在K=2.2±0.1以内),用K=2.24的合金柱齿组配直径为50毫米的钎头,在f=12-14石英砂岩中,使用25公斤·米的重型液压凿岩机,平均使用寿命为641(米/只),纯钻速160(厘米/分)。
用同样的工艺方法生产的WC-9.5%Co的合金物理机械性能如下:抗弯强度310.2(公斤/毫米2),硬度88.1(HRA),顽磁力89(奥),密度14.59(克/厘米3),WC的平均晶粒尺寸2.2(微米),细WC晶粒数占总数的68.3%,其优化比K=2.16(即在K=2.2±0.1以内),如附图二。
选用上述条件用于石蜡作成型剂的工艺,也能取得相近的效果。
生产优化比K=2.2±0.1的工艺方法也适用于重载切削刀具的生产。
附图一 WC-8.5%Co合金WC晶粒组成状态
平均晶粒尺寸2.6(微米) WC细=69.13%
优化比K= (WC细)/(WC粗) =2.24
附图二 WC-9.5%Co合金WC晶粒组成状态
平均晶粒尺寸2.2(微米) WC细=68.3%
优化比K= (WC细)/(WC粗) =2.16
Claims (6)
1、一种生产“双重晶粒结构”的WC-Co低钴凿岩合金的工艺,本发明的特征是以两种不同粒度范围的WC粉为原料,按两次进料湿磨混合、经真空烧结制取WC晶粒平均尺寸2.2~3.2(微米)、优化比K=2.2±0.1的合金产品。
2、根据权利要求1所述的制取粗WC的工艺,其特征在于以颗粒度大于12(微米)的W粉,经1870±50(℃)的碳管炉中以每50~60分钟推一舟的速度碳化制取总碳(6.14~6.16)%、游离碳小于0.06%、铁小于0.1%、松装比重大于5.5(克/厘米3)、平均粒度大于12(微米)结晶完整的粗WC粉。
3、根据权利要求1所述的制取细WC粉的工艺,其特征在于以粒度大于5(微米)的W粉于1750~1800℃的碳管炉中,以每50分钟推一舟的速度碳化制取总碳(6.14~6.16)%,游离碳小于0.05%,铁小于0.1%,松装比重大于5(克/厘米3),平均粒度6~12(微米),结晶完整的细WC粉。
4、根据权利要求1所述的制取大于5(微米)的W粉的工艺,其特征是WO3粉在900~930(℃)的马弗炉中一次还原制得6~9(微米),松装比重大于5(克/厘米3)的细W粉。
5、根据权利要求1所述的两次投料湿磨工艺,其特征是第一次将占总WC重量的67%的细WC粉和按牌号配定的批量钴粉以及每公斤粉末加入0.2立升工业酒精投入球料比为4∶1的滚动球磨机中,研磨23小时,第二次投入占总WC重量的33%的粗WC粉加入第一次比例相同的酒精,继续研磨14小时。
6、根据权利要求1所述的WC优化比K=2.2±0.1的“双重晶粒结构”合金,其特征在于平均晶粒2.2~3.2(微米)小于平均晶粒的细WC晶粒数占(68~70)%,大于平均晶粒的粗WC晶粒数占(32-30)%,其粒度分布为双峰曲线。
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