一種鋼結硬質合金及其制備方法
【專利摘要】一種鋼結硬質合金，以WC為硬質相，Fe為粘結相，合金中各組分的重量百分配比為：WC 40?80%、Fe 15%?55%、Cr3C2 0.5%?4%、炭黑0.1%?0.5%和WB 0.5%?5%。其制備方法包括配料?濕磨?噴霧干燥?壓制成型?燒結?熱處理等。制得的硬質合金孔隙率低，具有優異的耐磨耐蝕耐沖擊高強韌的特點，抗彎強度可達4000N/mm2以上，在某些使用領域超過同樣粘結相含量硬質合金的10%?30%。本發明的合金所需的原材料性價比高，制備方法滿足工業批量生產要求，大大拓展了鋼結硬質合金的應用范疇，可以在模具材料、耐磨零件及礦山工具等對耐磨性和韌性要求都較高的工業領域使用。
【專利說明】
一種鋼結硬質合金及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及粉末冶金技術領域，具體的說是一種新型鋼結硬質合金及其制備方 法。
【背景技術】
[0002] 鋼結硬質合金是一種介于硬質合金和鋼之間的材料，通常采用傳統粉末冶金的方 法制備。作為一種交叉材料，它綜合了鋼和硬質合金的性能，填補了它們之間的空白使用領 域。與傳統硬質合金相比，鋼結硬質合金具備鋼材的特征，具有可鍛性、可加工性、可熱處理 性，上述特性使得鋼結硬質合金產品可以廣泛應用到模具材料、耐磨零件及礦山工具等領 域。
[0003] 現有的高耐磨性、高硬度的硬質合金大多采用WC和Co作為原材料。而鈷作為一種 戰略資源和稀有金屬，其供給基本靠進口，且儲量有限，在價格上也較為昂貴。因此，尋找一 種可替代Co的粘結相金屬一直是硬質合金材料研究的熱點問題。在現有的研究中，Fe和Ni 是研究的較多并成功應用的粘結相金屬，但是由于Fe的潤濕性較差，造成其作為粘結相的 硬質合金制品往往存在孔隙，導致強度不足的情況。
[0004] 因此，如何通過改善組織特性，制備一種耐磨性、強度和韌性都較好的鋼結硬質合 金，是本領域亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明通過添加改善組織合金性能的WB和輔以優化的熱 處理工藝，得到高耐磨性與高強韌于一體的新型鋼結硬質合金材料，改變了傳統鋼結硬質 合金強度低、應用領域窄的狀況。
[0006] 本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種鋼結硬質合金，以WC為硬 質相，Fe為粘結相，合金中包括以下重量百分配比的組分:WC 40-80%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0 · 5%-4%、炭黑0 · 1%-0 · 5%和WB 0 · 5%-5%。
[0007] 所述WC的粒度為0.2-30μπι。
[0008] -種鋼結硬質合金的制備方法，包括以下步驟： 步驟一、按照鋼結硬質合金的重量百分比，分別稱取WC 40-80%、炭黑0.1%-0.5%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0·5%-4%和WB 0·5%-5%，備用； 步驟二、將步驟一稱取的物料加入到球磨機中，按照(2-5) : 1的球料比，以無水乙醇作 為研磨介質，石蠟作為成型劑，進行球磨20_50h; 步驟三、對步驟二球磨后的物料進行噴霧干燥，制得混合粉料，之后，將所得混合粉料 放入壓料機中，在50MPa-300MPa的壓力下壓制成坯體，備用； 步驟四、將步驟三制得的坯體轉置于燒結爐內，于1200-1500°C溫度下進行燒結30-120min，之后冷卻，得到合金還體，備用； 步驟五、將步驟四制得的合金坯體置于真空環境下進行800-1200°C淬火和100-500°C 回火，即得鋼結硬質合金。
[0009] 在步驟二中，所用的球磨機為可傾式球磨機。
[0010] 在步驟二中，所述石蠟的添加量為步驟一所稱取物料總質量的1%-4%。
[0011] 在步驟三中，所述噴霧干燥的溫度為160°C-240°C。
[0012] 有益效果： 1、本發明在原料的球磨混合步驟中，以高強度、長時間的球磨工藝使各原料得到充分 混合的同時，也將原料中的WC進行了一定程度的活化，保證了硬質相WC在后續的燒結步驟 中能夠與其他組分進行充分融合，提高成品硬質合金的均一性和強韌性;選擇無水乙醇作 為研磨介質能夠有效避免球磨過程中的增氧;噴霧干燥步驟中相對密閉的干燥環境系統， 確保了混合料粉末的潔凈度;高溫燒結步驟為實現合金致密化、消除微觀孔隙提供了保障， 高溫淬火使合金組織硬度和強度提高，低溫回火使合金組織更均勻，消除應力。
[0013] 2、本發明制備的鋼結硬質合金以WC為硬質相，Fe作為粘結相，通過添加改善合金 硬度和韌性的WB，按照傳統硬質合金生產工藝，并輔以優異的熱處理工藝，經800-1200 °C高 溫淬火和100-500°C低溫回火，提高了合金制品的硬度。制得了一種新型鋼結合金材料。該 材料歸屬于硬質合金和鋼材的交叉領域，產品孔隙率為A02B00C00,經過熱處理后與同粘結 相下的產品硬度相比達到甚至超過硬質合金水平，同時抗彎強度可達4000 N/mm2以上，在 某些使用領域超過同樣粘結相含量硬質合金的10%_30%，實現了高硬度、高耐磨性和高強韌 性的統一。另外，采用Fe作為粘結相，性價比高，一方面減少了 Co這種戰略資源的耗費，降低 了生產成本;另一方面也為終端用戶提供了增值服務。方法本身工藝簡單，過程控制簡便， 制備的硬質金屬合金可廣泛應用于模具材料、耐磨零件及礦山工具等對耐磨性和韌性要求 都較高的工業領域。
[0014] 3、本發明的硬質合金所采用的添加劑WB在合金組織中作為一種硬質相而存在，它 的添加能夠提高鋼結合金的硬度，其在燒結過程可與基體固溶形成立方相，改善組織性能， 通過熱處理工藝使基體組織性能進一步強化和均勻化，實現硬度和強度的雙重提高，與不 添加此添加劑的硬質合金對比，熱處理后HRA可以提高0.5-1.5，抗彎強度可達4000 N/mm2 以上。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明所制備的合金的500倍金相照片； 圖2為本發明所制備的合金的3000倍SEM背散射電鏡圖像。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案做進一步詳細的闡述和說明。
[0017] 一種鋼結硬質合金，采用WC作為硬質相，Fe作為粘結相，添加〇3(：2及添加劑WB，采 用粉末冶金的方法制備。其中添加劑WB是用于改善鋼結硬質合金燒結特性和硬度的物質。 本發明屬于多牌號系列化成果，材料的成分比例范圍寬，具體為:WC 40%-80%，Fe 15%-55%， Cr3C2 0·5%-4%，炭黑0· 1%-0·5%，添加劑WBO·5%-5%。其中，WC原料的Fsss粒度范圍在0·2-30μ m〇
[0018] 該鋼結硬質合金的制備工藝包括配料-濕磨-噴霧干燥-壓制成型-燒結-熱處理等 步驟，具體為： 1)將原料沉、？6、03(：2、炭黑及添加劑18按照一定比例配制，其中炭黑的添加量是根據 相圖及兩相區的特點計算得到的，其加入量為物料總量的〇. 1%_〇. 5%。
[0019] 2)將所有物料加入到50L-300L的可傾式球磨機中，按照球料比為2-5:1的比例裝 入球磨球，添加無水乙醇作為研磨介質，添加配料總質量（即WC、Fe、Cr3C2和WB的總質量）1%_ 4%的石蠟作為成型劑，球磨20-50小時。
[0020] 3)利用先進的噴霧干燥系統，在160 °c-240°c的高溫氮氣作用下，把料漿干燥為具 有一定松裝密度、流速和粒度分布的混合料粉末。
[0021] 4)混合料在自動壓機50MPa-300MPa的壓力下進行壓制成型，得到所需形狀要求的 產品。
[0022] 5)采用進口低壓爐進行燒結，燒結溫度為1200-1500°C，保溫時間30min-120min， 然后冷卻，得到目標形狀和尺寸的新型鋼結硬質合金。
[0023] 6)合金在真空熱處理系統中進行800-1200°C淬火和100-500°C回火，得到最終的 硬質合金產品。
[0024]本發明制備的硬質合金孔隙率低，達到常規硬質合金水平，為A02B00C00,具有優 異的耐磨耐蝕耐沖擊高強韌的特點，抗彎強度可達4000N/mm2以上，在某些使用領域超過同 樣粘結相含量硬質合金的10%_30%。本發明的合金所需的原材料性價比高，制備方法滿足工 業批量生產要求，大大拓展了鋼結硬質合金的應用范疇，可以在模具材料、耐磨零件及礦山 工具等對耐磨性和韌性要求都較高的工業領域使用。
[0025] 實施例1: 將重量百分比為50%的WC、48.1%的Fe、1%的Cr3C2、0.3%的炭黑、0.6%的添加劑WB按照要 求配料，放置到體積為300L濕磨機中，控制球料比為3:1，以無水乙醇為球磨介質，添加配料 總質量2%的石蠟作為成型劑，進行研磨36h，之后卸料，并在200°C溫度條件下進行噴霧干 燥，得到混合粉料，然后，將混合粉料置于125MPa壓力下進行壓制成坯，之后，將坯體放入低 壓爐內于1240 °C下燒結90min，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理爐中進行 1100°C淬火和170°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強韌性的鋼結硬質合金。對本實施 例所制得的鋼結硬質合金進行性能檢測，其結果如表1所示。
[0026] 實施例2: 將重量百分比為60%的WC、34.3 %的Fe、0.5%的Cr3C2、0.2%的炭黑，5%的添加劑WB按照 要求配料，放置到體積為300L濕磨機中，控制球料比為2:1，以無水乙醇為球磨介質，添加配 料總質量1%的石蠟作為成型劑，進行研磨42h，之后卸料，并在160 °C溫度條件下進行噴霧干 燥，得到混合粉料，然后，將混合粉料置于50MPa壓力下進行壓制成坯，之后，將坯體放入低 壓爐內于1300 °C下燒結IOOmin，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理爐中進行 1100°C淬火和170°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強韌性的鋼結硬質合金。對本實施 例所制得的鋼結硬質合金進行性能檢測，其結果如表1所示。
[0027] 實施例3: 將重量百分比為40%的WC、55%的Fe、4%的Cr3C2、0.5%炭黑，0.5%的添加劑WB按照要求配 料，放置到體積為300L濕磨機中，控制球料比為3:1，以無水乙醇為球磨介質，添加配料總質 量4%的石蠟作為成型劑，進行研磨20h，之后卸料，并在240 °C溫度條件下進行噴霧干燥，得 到混合粉料，然后，將混合粉料置于300 MPa壓力下進行壓制成坯，之后，將坯體放入低壓爐 內于1200 °C下燒結120min，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理爐中進行800 °C 淬火和100°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強韌性的鋼結硬質合金。對本實施例所制 得的鋼結硬質合金進行性能檢測，其結果如表1所示。
[0028] 實施例4: 將重量百分比為80%的WC、15%的Fe、3%的Cr3C2、0.1 %的炭黑、1.9%的添加劑WB按照要求 配料，按照要求配料，放置到體積為300L濕磨機中，控制球料比為5:1，以無水乙醇為球磨介 質，添加配料總質量2%的石蠟作為成型劑，進行研磨50h，之后卸料，并在180°C溫度條件下 進行噴霧干燥，得到混合粉料，然后，將混合粉料置于200MPa壓力下進行壓制成坯，之后，將 坯體放入低壓爐內于1500 °C下燒結30min，得到合金坯體，隨后把合金坯體放在真空熱處理 爐中進行1200°C淬火和500°C回火，即得到高硬度、高耐磨性和高強韌性的鋼結硬質合金。 對本實施例所制得的鋼結硬質合金進行性能檢測，其結果如表1所示。
[0029] 耒1，太發明夂走施例所制客锎結硬席
合全的忡能給涮圖耒 通過表1可知本發明制備的鋼結硬質合金與同使用領域的硬質合金相比，無論在硬度 還是在強度方面都有較大的提升，實現了硬度和強度這對矛盾體的統一，使用前景廣闊。
[0030]為了更細致的比較其他性能，選取了本發明實施例1制備的鋼結硬質合金與該鋼 結硬質合金可運用的領域所使用的傳統硬質合金材料進行耐磨性和耐沖擊韌性的比較，其 結果如表2所示。
[0031 ]表2新材料與傳統硬質合金材料耐磨性和沖擊韌性的比較
通過表2可知，本發明所制備的鋼結硬質合金的耐磨性和沖擊韌性都優于同行業使用 硬質合金水平。
【主權項】
1. 一種鋼結硬質合金，其特征在于，以WC為硬質相，Fe為粘結相，合金中包括以下重量 百分配比的組分:賈：4〇-80%、？6 15%-55%、〇3〇2〇.5%-4%、炭黑0.1%-〇.5%和冊0.5%-5%。2. 根據權利要求1所述的一種鋼結硬質合金，其特征在于:所述WC的粒度為0.2-30μπι。3. 根據權利要求1所述的一種鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、按照鋼結硬質合金的重量百分比，分別稱取W C 4 0 -8 0 %、炭黑0.1 % - 0.5 %、F e 15%-55%、Cr3C2 0·5%-4%和WB 0·5%-5%，備用； 步驟二、將步驟一稱取的物料加入到球磨機中，按照（2-5) : 1的球料比，以無水乙醇作 為研磨介質，石蠟作為成型劑，進行球磨20_50h; 步驟三、對步驟二球磨后的物料進行噴霧干燥，制得混合粉料，之后，將所得混合粉料 放入壓料機中，在50MPa-300MPa的壓力下壓制成坯體，備用； 步驟四、將步驟三制得的坯體轉置于燒結爐內，于1200-1500°C溫度下進行燒結30-120min，之后冷卻，得到合金還體，備用； 步驟五、將步驟四制得的合金坯體置于真空環境下進行800-1200°C淬火和100-500°C 回火，即得鋼結硬質合金。4. 根據權利要求3所述的一種鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于:在步驟二中，所 用的球磨機為可傾式球磨機。5. 根據權利要求3所述的一種鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于:在步驟二中，所 述石蠟的添加量為步驟一所稱取物料總質量的1 %_4%。6. 根據權利要求3所述的一種鋼結硬質合金的制備方法，其特征在于:在步驟三中，所 述噴霧干燥的溫度為160 °C-240 °C。
【文檔編號】B22F3/14GK106086575SQ201610729551
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月26日
【發明人】謝屹峰, 楊躍, 石玉斌, 程鑫, 焦長禮, 張寶林
【申請人】洛陽金鷺硬質合金工具有限公司