一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于將鈦粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.7～1.1配制成所需比例的原位合成TiC粉末；將鉻鐵粉、鉬鐵粉，釩鐵粉，鎢鐵粉，鈮鐵粉，鎳粉，硼鐵粉，鐵粉，膠體石墨和稀土原料按粘接相金屬化學成分質量比所需比例配制，裝入鋼球球磨，其中加入無水乙醇作介質和PVA，球磨后將料漿干燥后壓制成形、燒結得到鋼結合金。本發明將原位反應合成技術與液相燒結技術相結合，制備了TiC/高耐磨鋼結硬質合金。由于TiC是通過燒結過程中的反應在基體內部原位合成，增強顆粒尺寸細小，表面無尖角，基體界面結合較好且界面干凈。所制備的鋼結合金方法能夠提高合金的綜合力學性能，而且價格低廉，工藝簡便。
【專利說明】一種TiC局耐磨鋼結硬質合金的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，特別是用反應燒結法制取TiC高耐磨鋼結硬質合金【技術領域】。
【背景技術】
[0002]鋼結硬質合金(以下簡稱為鋼結合金)是以鋼為基體，碳化鎢、碳化鈦等為硬質相采用粉末冶金方法生產的介于硬質合金和合金工具鋼、模具鋼及高速鋼之間的高壽命模具材料和工程材料。鋼結合金鋼基體粘結相與硬質相的配比范圍相當廣泛，這就決定了其具備如下優異性能:1)廣泛的工藝性能，主要是可鍛造性能和可切削加工性能以及可熱處理性和可焊接性。2)良好的物理機械性能，主要表現在與高鈷硬質合金相當的耐磨性；與鋼相比較高的剛性、彈性模量、抗彎強度和抗壓強度；與硬質合金相比較高的韌性；以及良好的自潤滑性和高的阻尼特性等。3)優異的化學穩定性，如耐高溫、抗氧化、抗各種介質腐蝕等。由于鋼結合金的上述優異的綜合性能，使得它在工模具材料、耐磨零件、耐高溫和耐腐蝕構件材料等方面愈來愈占據重要的地位，且在金屬加工、五金電子、汽車、機械、冶金、化工、船舶、航空航天以及核工業等領域得到廣泛應用并得到良好效果。如與合金工具鋼、模具鋼及高速鋼相比，鋼結合金可使模具壽命數以十倍地大幅度提高，經濟效益也極為顯著。
[0003]碳化鈦鋼結硬質合金相比碳化鎢鋼結合金，其成本低，適合市場推廣使用。但其合金的強韌性仍較低，遠不能滿足愈來愈多的承受沖擊力較大，沖擊速度較高情況下的使用。因此開發生產高性能、低成本的碳化鈦鋼結硬質合金很有必要。其中，提高碳化鈦鋼結合金的強韌性是重點的研究方向。
[0004]目前，制備TiC鋼結硬質合金的方法主要是粉末冶金液相燒結法。液相燒結法可以根據實際應用需要選擇適當的粘結相并能在較大范圍內調整硬質相的含量，但由于粉末冶金液相燒結法的硬質相通常以外加方式引入，原材料成本高、顆粒粗大、硬質相碳化鈦與粘結相的潤濕性不良、界面易受污染等，因此通過液相燒結法制備的鋼結硬質合金具有孔隙度高、性能低、成本高等缺點，對于要求較高的應用場合往往需經過鍛造或熱等靜壓處理，材料的性價比進一步降低。
[0005]近年來，國內外開展了采用原位合成法制備鋼結硬質合金的研究。原位合成技術是一種借助合金設計，于一定條件下在基體金屬內原位反應生成一種或幾種熱力學穩定的硬質相的新型復合材料制備技術。與傳統的材料制備方法相比，該技術具有制備工藝簡單、原位生產的增強相不受污染，界面結合強度高等特點，是鋼結硬質合金制備技術發展的趨勢。
[0006]但原位合成法也有諸多不足:增強顆粒只限于特定基體中的熱力學穩定的粒了 ；生成的相比較復雜、不易控制；顆粒大小、形狀受形核、長大過程的動力學控制，且原位顆粒形成以后，在鑄造過程中常會偏析于枝晶問隙或晶粒邊界，對材料組織和性能產生不良影響，而且工藝性差，制備成本比現有工藝高，不適于規模化生產。顯然，原位合成技術實現產業化的關鍵是必須進一步研究合理的均勻化工藝，優化合成工藝、降低生產成本。
【發明內容】
[0007]針對現有技術的不足，本發明提供了一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，用以提高TiC高耐磨鋼結硬質合金的性能。
[0008]本發明的一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，其采用以下技術方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鉻鐵粉，鑰鐵粉，釩鐵粉，鎢鐵粉，鈮鐵粉、鎳粉，鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，膠體石墨，Ce02、Y3O2、La2O3其中之一或三種，PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下；
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.7?1.1進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質量百分比為:C2.3?3.0%，Cr3.8 ?5.5%, W2.0 ?3.0%, Mo4.0 ?6.0%, V5.0 ?6.0%, N1.5 ?1.0%, Nb0.2 ?0.6%,S1.4 ?1.0%, Mn0.2 ?0.7%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，Ce02、Y302、La2O3 其中之一或二種以上的組合< 0.8%、余量Fe，和不可避免的雜質元素；
3)TiC高耐磨鋼結硬質合金材料配制:材料化學成分質量百分比為:原位合成TiC混合粉末30?50%，粘接相基體合金粉末70?50% ；
(3)制備工藝步驟是:
1)材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.7?1.1進行配制成所需比例的原位合成TiC混合粉末；將絡鐵粉，鑰鐵粉，鶴鐵粉，f凡鐵粉，銀鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉，根據所需的化學成分質量百分比換算，連同鐵粉，鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y302、La203其中之一或二種以上的組合原料按粘接相金屬材料化學成分質量百分比所需比例配制；
2)根據鋼結硬質合金材料所需的TiC顆粒和基體材料的比例將兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1?10:1，加入無水乙醇作介質和0.5 — 1%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨48?72小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在350?500MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產品；
4)在真空條件下燒結，燒結溫度為1350°C?1420°C，燒結工藝為:加熱速度10°C/min，燒結時間為30?40min，保溫I?3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的耐熱鋼結硬質合金。
[0009]有益效果
與現有技術相比，本發明具有如下優點:
1、本發明以價格低廉的欽粉、鐵粉、絡鐵粉、鑰鐵粉，鎮粉，I凡鐵粉，銀鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉，膠體石墨為原料，將原位反應合成技術與液相燒結技術相結合，制備了硬質相碳化鈦體積分數為30% — 50%的TiC高耐磨鋼結硬質合金。其主要特點是:①由于鋼結硬質合金中的TiC是通過燒結過程中的反應而在基體內部原位合成，所以可以得到普通硬化相粉末混合的方法所難以達到，甚至不能達到的細微化和均勻程度，基體界面結合較好且界面干凈。②原位合成增強顆粒尺寸細小，表面無尖角，且在基體中分布均勻，從而提高了材料的抗彎強度和各項性能。③將原位合成技術與液相燒結技術相結合起來，工藝簡便、成本低。④由于原材料的價格低廉，可以大大降低成本。同時本粉末的工藝中不僅可以在真空中燒結，也可以咋氫氣等氣氛中燒結，拓寬了生產制造的手段途徑。
[0010]本發明采用高能球磨方式提高粉末的活性，并且達到碳化鈦與鋼基體粉末機械合金化的程度，從而提高碳化鈦與鋼基體在燒結過程中的親和性，提高最終合金的強韌性。此夕卜，本發明中采用了價格較低的鑰鐵合金作為原料，其在燒結過程中進一步改善碳化鈦與鋼基體的潤濕性，提高合金的強韌性。因此，本發明制備高性能鋼結合金方法能夠提高合金的綜合力學性能，而且過程簡便，節約成本。
[0011]2、本發明通過添加Ce02、Y3O2, La2O3抑制了晶粒的長大,并起到彌散強化的作用。由于Ce02、Y3O2, La2O3化學性質活潑，在燒結溫度下，CeO2, Y3O2, La2O3能夠與金屬粉末界面上的雜質和氧化膜作用，起到凈化界面的作用，有助于潤濕性的改善，從而有利于致密化的進程，達到減小孔隙度的目的，而孔隙度的減小又必將有助于抗彎強度的提高。Ce02、Y3O2,La2O3粉含量介于0.2%和0.5%之間，可起到稀土強化作用，因此本發明的鋼結硬質合金的強度和致密度得以提高，抗彎強度可達到1700MPa以上，致密度達到97.4%以上。
3、本發明采用高能球磨方式提高粉末的活性，并且達到碳化鈦與鋼基體粉末機械合金化的程度，從而提高碳化鈦與鋼基體在燒結過程中的親和性，提高最終合金的強韌性。此夕卜，本發明中采用了價格較低的鐵合金作為原料，并且通過添加一定量的鑰后，其在燒結過程中進一步改善碳化鈦與鋼基體的潤濕性，能夠抑制鋼結硬質合金中原位反應合成的硬質相TiC長大，使TiC顆粒尺寸減小，分布均勻。由于加入鑰與硼后改善了粘結相對硬質相TiC的潤濕性，有利于液相在燒結過程中對孔隙的填充，孔隙度低，使鋼結硬質合金的密度得到提高，晶粒細小，組織均勻，從而使其硬度和抗彎強度和強韌性也得到了提高。因此，本發明制備高性能鋼結合金方法能夠提高合金的綜合力學性能，而且過程簡便，操作方便、燒結周期短、、工藝成本低、適于工業化生產。
【具體實施方式】
[0012]下面結合【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案:
實施例1
一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，其采用以下技術方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鉻鐵粉，鑰鐵粉，鎢鐵粉，釩鐵粉，鈮鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，鐵粉，鎳粉，膠體石墨，CeO2, PVA,粉末粒度均在10?50 μ m以下；
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.85進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質量百分比為:C2.5%，Cr4.5%, W2.0%, Μο4.5%, V5.2%, N1.6%, Nb0.2%, S1.5%, Mn0.4%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，CeO2 ( 0.8%、余量Fe,和不可避免的雜質元素；
3)TiC高耐磨鋼結硬質合金材料配制:材料化學成分質量百分比為:原位合成TiC混合粉末30%，粘接相基體合金粉末70% ；
(3)制備工藝步驟是:
O材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.85進行配制成原位合成30%TiC混合粉末；將絡鐵粉、鑰鐵粉，鶴鐵粉，f凡鐵粉，銀鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉，根據所需的化學成分質量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2原料按粘接相金屬材料化學成分質量百分比70%比例配制；
2)將鋼結硬質合金材料所需的原位合成30%TiC顆粒和基體材料70%的兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1，加入無水乙醇作介質和0.6%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨55小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在400MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產品；
4)在真空條件下燒結，燒結溫度為1370°C，燒結工藝為:加熱速度10°C/min，燒結時間為30min，保溫1.5小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的高耐磨鋼結硬質合金。
[0013]實施例2
一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，其采用以下技術方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鉻鐵粉，鑰鐵粉，鎢鐵粉，釩鐵粉，鈮鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，鐵粉，鎳粉，膠體石墨，CeO2、Y3O2 二種，PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下；
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.9進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質量百分比為:C2.7%，Cr5.0%, W2.5%, Mo5.0%, V5.5%, N1.8%, Nb0.4%, S1.6%, Mn0.5%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，CeO2
0.5%, Y3O2 0.3%、余量Fe，和不可避免的雜質元素；
3)TiC高耐磨鋼結硬質合金材料配制:材料化學成分質量百分比為:原位合成40%TiC混合粉末，粘接相基體合金粉末60% ；
(3)制備工藝步驟是:
O材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.9進行配制成所原位合成40%TiC混合粉末；將絡鐵粉、鑰鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉，鶴鐵粉，f凡鐵粉，銀鐵粉，根據所需的化學成分質量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2, Y3O2原料按粘接相金屬材料化學成分質量百分比60%比例配制；
2)將鋼結硬質合金材料所需原位合成的40%TiC顆粒和基體材料60%的比例的兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比7:1，加入無水乙醇作介質和0.8%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨62小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在450MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產品；
4)在真空條件下燒結，燒結溫度為1390°C，燒結工藝為:加熱速度10°C/min，燒結時間為35min，保溫2.3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的高耐磨鋼結硬質合金。
[0014]實施例3
一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，其采用以下技術方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鉻鐵粉，鑰鐵粉，鎢鐵粉，釩鐵粉，鈮鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，鐵粉，鎳粉，膠體石墨，CeO2、Y3O2、La2O3, PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下;
(2)材料配制: 1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為1.0進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質量百分比為:C2.9%，Cr5.5%, W2.8%, Μο6.0%, V5.8%, N1.9%, Nb0.6%, S1.7%, Mn0.5%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，CeO20.3%, Y3O20.3%, La2O3 0.2%、余量Fe，和不可避免的雜質元素；
3)TiC高耐磨鋼結硬質合金材料配制:材料化學成分質量百分比為:原位合成TiC混合粉末50%，粘接相基體合金粉末50% ；
(3)制備工藝步驟是:
O材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為1.0進行配制成所原位合成50%TiC混合粉末；將絡鐵粉、鑰鐵粉，鶴鐵粉，f凡鐵粉，銀鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉根據所需的化學成分質量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y3O2, La2O3原料按粘接相金屬材料化學成分質量百分比50%比例配制；
2)將鋼結硬質合金材料所需原位合成的50%TiC顆粒和基體材料50%的比例的兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比10:1，加入無水乙醇作介質和1%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨72小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在500MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產品；
4)在真空條件下燒結，燒結溫度為1420°C，燒結工藝為:加熱速度10°C/min，燒結時間為40min，保溫3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的高耐磨鋼結硬質合金。
【權利要求】
1.一種TiC高耐磨鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于包括如下技術方案: (I)材料配制: 1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.7?1.1進行配制成原位合成TiC混合粉末； 2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質量百分比為:C2.3?3.0%，Cr3.8 ?5.5%, W2.0 ?3.0%, Mo4.0 ?6.0%, V5.0 ?6.0%, N1.5 ?1.0%, Nb0.2 ?0.6%,S1.4 ?1.0%, Mn0.2 ?0.7%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，CeO2' Y302、La2O3 其中之一或二種以上的組合< 0.8%、余量Fe，和不可避免的雜質元素； 3)TiC高耐磨鋼結硬質合金材料配制:材料化學成分質量百分比為:原位合成TiC混合粉末30?50%，粘接相基體合金粉末70?50% ； (2)制備工藝步驟是: 1)材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.7?1.1進行配制成所需比例的原位合成TiC混合粉末；將絡鐵粉，鑰鐵粉，鶴鐵粉，f凡鐵粉，銀鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉，根據所需的化學成分質量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y302、La203其中之一或二種以上的組合原料按粘接相金屬材料化學成分質量百分比所需比例配制； 2)根據鋼結硬質合金材料所需的TiC顆粒和基體材料的比例將兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1?10:1，加入無水乙醇作介質和0.5 — 1%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨48?72小時； 3)將料漿干燥后過篩，然后在350?500MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產品； 4)在真空條件下燒結，燒結溫度為1350°C?1420°C，燒結工藝為:加熱速度10°C/min，燒結時間為30?40min，保溫I?3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的耐熱鋼結硬質合金。
2.根據權利要求1所述的一種TiC耐熱鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于:所用原材料為鈦粉，鉻鐵粉，鑰鐵粉，釩鐵粉，鎢鐵粉，鈮鐵粉，鎳粉，鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，膠體石墨，CeO2, Y3O2, La2O3其中之一或三種，PVA,粉末粒度均在10?50 μ m以下。
【文檔編號】C22C29/10GK104232966SQ201410486441
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】邵慧萍, 丁剛, 丁家偉, 印杰, 施孟達, 朱堅, 王洪仁 申請人:江蘇匯誠機械制造有限公司