專利名稱：碳化鎢－碳化鈦－碳化鉭固溶體粉末的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳化鎢一碳化鈦一
碳化鉭固溶體粉末(TRC—33)。
背景技術(shù)：
眾所周知高性能硬質(zhì)合金刀具是工業(yè)發(fā)達(dá)國家致力于研究和發(fā) 展的重要課題，是現(xiàn)代工業(yè)的牙齒，是衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要 依據(jù)，硬質(zhì)和超硬材料是國家重點(diǎn)支持發(fā)展的新材料，作為硬質(zhì)和超 硬材料、難加工金屬材料的加工材料，其重要性顯而易見，我國的高 性能硬質(zhì)合金刀具材料，特別是數(shù)控刀具材料現(xiàn)在基本上依賴進(jìn)口 ， 不僅價(jià)格昂貴，而且諸多方面還受到了限制，對我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程 造成很大影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述不足之處，而研制一種碳化鎢一碳化鈦
—碳化鉭固溶體粉末(TRC—33)，大量的實(shí)驗(yàn)證明在硬質(zhì)合金材料 生產(chǎn)過程中加入TRC，改善硬質(zhì)合金的性能，保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性。
在硬質(zhì)合金材料中加入TaC能改善硬質(zhì)合金的性能，生產(chǎn)出優(yōu) 良的切鋼彈號。然而TaC的良好效果只有在它與WC形成固溶體時(shí) 才能達(dá)到，在WC—TiC一Co合金中加入純TaC對其性能沒有多大的
作用，這是因?yàn)楹辖鸩牧系臒Y(jié)溫度低于碳化固溶溫度，因而無法以 獲得完全的固溶體。
在80(TC以前TiC的硬度大于TaC，而在800。C以后，則TaC大 于TiC。
所以在WC—TiC—Co合金材料中加入TaC有利于提高合金材料 的高溫硬度，即合金材料的紅韌性提高。
TiC與TaC具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，能形成連續(xù)固溶體，WC也可 以較好溶于這種連續(xù)固溶體之中。在WC—TiC—TaC系列之中，TaC 越多，WC溶解TiC一TaC中的溶解度越小。當(dāng)然，WC在復(fù)式碳化 物中的溶解度也隨著溫度降低而減小。在燒結(jié)溫度下，WC在TiC中 的溶解度為70%左右，在TaC中的溶解度為10%左右。因此WC在 TiC—TaC中的溶解度有限。所以要制備WC—TiC—TaC 100%的固溶 體，WC、 TiC、 TaC三者的比例是非常關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。
WC—TiC—Co合金主要用于加工鋼材(如碳素鋼、合金鋼)等 長屑材料的切削加工。添加少量的TaC后，即成為WC—TiC—TaC —Co合金，其使用性能得到相當(dāng)?shù)母纳?，不但可以切削鋼材，而?可以加工鑄鐵和有色金屬。特別是針對某些難加工材料或者其它特殊 材料的切削加工，如高強(qiáng)度合金鋼、耐熱合金鋼、合金鑄鐵等材料的 加工，這類合金起著很大的作用，由于添加少量TaC，使這類的高溫 性能得到改善，抗氧化性能有所提高，切削性能大幅度提高?？梢赃m 應(yīng)各種被加工材料的切削加工，因此通常又把此類合金稱做通用合 金。
國外多采用WC、 Ti02、 Ta205和碳黑粉混合后將其碳化形成固 溶體，前蘇聯(lián)則用Ta粉做原料。我國大多采用WC、 TaC、 1102和碳 黑混合，然后碳化形成固溶體。長沙偉暉公司則采用獨(dú)創(chuàng)的TRC— 33的制備工藝來合成WC—TiC一TaC固溶體。所制造出的WC—TiC —TaC固溶體具有固溶度高、顆粒細(xì)、純度高等特點(diǎn)。經(jīng)過多數(shù)用戶 使用證明。利用該工藝生產(chǎn)的WC—TiC一TaC固溶體具有良好的使 用性能，達(dá)到世界一流水平，且生產(chǎn)成本大大低于國外同類產(chǎn)品，具 有很大的推廣應(yīng)用前景。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，該產(chǎn)品是采用金屬單體或氧化物為原料， 并根據(jù)需要配入碳黑(C)量。并加入0.5—1.5%醛類物質(zhì)作為碳化 促進(jìn)劑，碳化反應(yīng)和碳化物的固溶反應(yīng)是在碳管爐中進(jìn)行，反應(yīng)溫度 較常規(guī)生產(chǎn)中的反應(yīng)溫度低300°C， 一次性獲得金屬碳化物或金屬碳 化物固溶體純度》99%的產(chǎn)品，產(chǎn)品固溶度》99%，產(chǎn)品粒度降低至 <1.5um，降低了產(chǎn)品能耗，提高效率。
本發(fā)明的TRC—33固溶體組成如下按重量百分比
WC 45% —Tic 22% _TaC33%，在這種比例下，能夠制備WC —TiC—TaC 100%的固溶體，該TRC—33固溶體，用X光衍射檢驗(yàn)， 表明為單相，固溶度100%。
制作工藝:
根據(jù)不同要求按分子量計(jì)算，配料配方為[鎢粉(W) +氧化鈦 (Ti02) +氧化鉭(Ta205) ]15%_45%+碳黑(C) 54%—84%+碳化促進(jìn) 劑(醛類物質(zhì)0.5%_1.5%)，配料后，混合裝舟，進(jìn)入碳管爐碳化，
溫度在130(TC—180(TC，再出舟，進(jìn)行破碎，分析后再進(jìn)行篩分，
合批包裝出廠。
本發(fā)明特點(diǎn)
1、 本項(xiàng)目加入碳化促進(jìn)劑作為反應(yīng)催化劑，使碳化合成反應(yīng)的 溫度得到降低，充分保證金屬碳化物反應(yīng)完全，降低產(chǎn)品粒度，保證 產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性。通過本企業(yè)的大量試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐證明，在制備過程 中加入0.5%—1.5%的醛類物質(zhì)作為碳化促進(jìn)劑，大大提高反應(yīng)速度 及轉(zhuǎn)化率。碳化促進(jìn)劑的加入可以在較低的溫度下制備碳化物，并且 生成的碳化物的顆粒較細(xì)。碳化促進(jìn)劑能加快反應(yīng)速率是由于碳化促 進(jìn)劑優(yōu)先拳與了反應(yīng)，改變了反應(yīng)途徑，降低了反應(yīng)的活化能；而且 其反應(yīng)生成物(碳化物)是處于一種疏松多孔的狀態(tài)，有利于擴(kuò)散過 程的進(jìn)一步進(jìn)行，從而提高反應(yīng)速度及轉(zhuǎn)化率。與一般方法相比，碳 化反應(yīng)溫度平均降低了 300°C，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減少了生產(chǎn)能耗， 同時(shí)使得碳化反應(yīng)充分完全，產(chǎn)品粒度細(xì)，保證產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性。并將 原料損耗縮減到最低，真正達(dá)到物盡其用。
2、 結(jié)合工藝特點(diǎn)對碳管爐的發(fā)熱體石黑爐管進(jìn)行了梯度處理， 解決其高溫區(qū)域短，溫度不均勻的現(xiàn)狀，提高了熱效率，在保證產(chǎn)品 質(zhì)量的同時(shí)降低了成本。
由于連接發(fā)熱體石墨爐管兩頭銅電極采用水冷保護(hù)，以及物料的 頻繁進(jìn)出，導(dǎo)致發(fā)熱體石墨爐管兩頭溫度低，且中間高溫區(qū)域較短。 針對這一實(shí)際情況，我公司通過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，提出采用超高功率石 墨爐管，并且對石墨爐管壁的厚度進(jìn)行梯度處理。從實(shí)際使用情況來 看，較好的解決了高溫區(qū)域短，溫度不均勻的問題，符合公司生產(chǎn)工 藝的要求。
3、 本項(xiàng)目對于生產(chǎn)較復(fù)雜的多元碳化物，采用金屬單體或氧化
物為原料，根據(jù)需要配入碳黑(c)量，使金屬的碳化反應(yīng)和碳化物
的固溶反應(yīng)合并為一次完成，得到高品質(zhì)的產(chǎn)品。正是因?yàn)樘蓟龠M(jìn) 劑的加入和碳管爐高溫區(qū)域短，溫度不均勻的問題的解決，可以直接 采用金屬氧化物或?yàn)閱误w原料，使金屬的碳化反應(yīng)和碳化物的固溶反
應(yīng)合并為一次完成，無需再進(jìn)行后續(xù)處理就可獲得純度》99%、粒度 <1.5um(FSSS)、固溶度》99%的高品質(zhì)產(chǎn)品，極大的縮短了生產(chǎn)周 期，節(jié)約成本，且生產(chǎn)可連續(xù)進(jìn)行，適合于大批量工業(yè)化生產(chǎn)。
4、 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了反應(yīng)氣體自保護(hù)新工藝?yán)锰脊軤t中 碳化合成反應(yīng)所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w代替氫氣對反應(yīng)進(jìn)行氣氛保護(hù)， 減少了雜質(zhì)混入。
金屬碳化物的普通生產(chǎn)過程中是采用通氫氣保護(hù)這一傳統(tǒng)工藝， 不僅成本昂貴，而且安全性能低，泄漏易引起爆炸。采用自保護(hù)中的 反應(yīng)氣體，主要為一氧化碳?xì)怏w，該氣體排除時(shí)充分燃燒生成二氧化 碳，且排出量不大，對環(huán)境無污染。減少了通氫氣保護(hù)這一工序，簡 化生產(chǎn)設(shè)備，使成本降低，減少了雜質(zhì)混入。提高產(chǎn)品純度的同時(shí)為 公司節(jié)約了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
本發(fā)明的TRC—33的制備原理如下
金屬的碳化反應(yīng)均為固一固相反應(yīng)，從動(dòng)力學(xué)角度考慮對反應(yīng)不 利。在碳與金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，首先碳與金屬氧化物接觸的界面發(fā)生
反應(yīng)生成一氧化碳及相應(yīng)的碳化物，碳化物開始成核并逐漸長大。接 著碳與氧化物通過擴(kuò)散作用穿過碳化物繼續(xù)反應(yīng)，由于碳化物的阻 礙，擴(kuò)散速度將會(huì)越來越慢，所以反應(yīng)速度也會(huì)越來越慢，甚至到反 應(yīng)后期，由于反應(yīng)物無法擴(kuò)散，反應(yīng)也將無法進(jìn)行下去。所以就會(huì)導(dǎo) 致轉(zhuǎn)化率低，產(chǎn)物不純。
為了提高擴(kuò)散速度及反應(yīng)完成程度，通常可以采用升高溫度和增 加反應(yīng)時(shí)間的辦法。通過熱力學(xué)計(jì)算可知金屬碳化物發(fā)生反應(yīng)的起始 溫度都較高。
要使反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，必須要在較高的溫度(高于起始溫度) 下制備碳化物，因此進(jìn)一步提高溫度更將加大生產(chǎn)能耗。并且隨著溫 度的升高和時(shí)間的延長，碳化物晶粒就會(huì)出現(xiàn)長大現(xiàn)象。在反應(yīng)初期 成核后，碳化物晶粒便會(huì)逐漸長大，溫度越高，晶粒長大速度越快， 最終導(dǎo)致產(chǎn)物中的碳化物晶粒粗大。因此，若要制備顆粒較細(xì)的碳化 物，不能一味地提高反應(yīng)溫度。
現(xiàn)有普通的金屬碳化物生產(chǎn)制備過程中，碳化反應(yīng)不充分，造成 原料的浪費(fèi)，且對溫度要求條件高，產(chǎn)品粒度得不到保障，還需進(jìn)行 長時(shí)間的濕式球磨以降低粒度，不僅成本高，而且增加了鐵、氧等雜 質(zhì)。


圖1為本發(fā)明固溶體生產(chǎn)工藝流程圖
圖2為傳統(tǒng)固溶體生產(chǎn)工藝流程圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:在國內(nèi)的某股份公司，在2005年前夕一直使用自制 的WC—TiC一TaC固溶體來生產(chǎn)一種外國車刀(CL26417)，由于用 戶切速速度的提高，被加工材料鋼級的變化，刀具的壽命不能滿足要 求。用戶只好采用進(jìn)口刀具來滿足生產(chǎn)需求。當(dāng)該公司的科研人員改 用我公司的固溶體TRC—33后，刀具的壽命大幅度提高，完全可以 替代進(jìn)口刀具，滿足用戶的生產(chǎn)要求，深受用戶好評。目前，該產(chǎn)品 已批量生產(chǎn)三年多，為企業(yè)創(chuàng)造1000多萬元的收益。
實(shí)施例2: TRC—33在螺紋梳刀基體毛坯中的應(yīng)用
高強(qiáng)度石油管材居難加工材料，對刀片基體材料的要求甚高。由 于用戶對切削速度的大幅度提升，原來沿用多年的梳刀基體材料已無 法滿足用戶的生產(chǎn)要求，因此急需研制一種新的材料來替代老的基本 材料。經(jīng)過科研人員的反復(fù)篩選，最終優(yōu)選出加入TRC—33固溶體 的合金基材料來滿足用戶的需求。加入TRC—33固溶體后，WC—TiC —TaC—Co合金整體材料性能優(yōu)越，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。經(jīng)多次切削試 驗(yàn)表明，采用TRC—33固溶體生產(chǎn)的刀片壽命超過公司外購某名牌 大廠生產(chǎn)的同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自主生產(chǎn)。僅此一項(xiàng)，每年可為 公司節(jié)約采購成本上千萬元。
經(jīng)過科研人員的研究發(fā)現(xiàn)，采用偉暉公司TRC—33固溶體后， 可使合金材料的金相組織更加均勻，產(chǎn)品的機(jī)械性能更加穩(wěn)定，強(qiáng)度 和硬度均有不同程度的提高。因此我們認(rèn)為TRC—33是一種非常好 的固溶體，其推廣應(yīng)用前景非常遠(yuǎn)大，可使我國硬質(zhì)合金材料WC— TiC一TaC—Co的性能上一個(gè)臺(tái)階。
權(quán)利要求
1、碳化鎢-碳化鈦-碳化鉭固溶體粉末，其特征是TRC-33固溶體組成如下按重量百分比WC 45％-Tic 22％-TRC33％，在這種比例下，能夠制備WC-TiC-TaC 100％的固溶體，該TRC-33固溶體，用X光衍射檢驗(yàn)，表明為單相，固溶度100％；工藝制作根據(jù)不同要求按分子量計(jì)算，配料配方為[鎢粉(W)+氧化鈦(TiO2)+氧化鉭(Ta2O5)]15％-45％+碳黑(C)54％-84％+碳化促進(jìn)劑(醛類物質(zhì) id="icf0001" file="A2008100318470002C1.tif" wi="9" he="6" top= "116" left = "54" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>-1.5％)，配料后，混合再裝舟，進(jìn)入碳管爐碳化，溫度在1300℃-1800℃，再出舟，進(jìn)行破碎，分析后再進(jìn)行篩分，合批包裝出廠。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢一碳化鈦一碳化鉭固溶體粉末， 其特征是采用金屬單體或氧化物為原料，配入碳黑(C)量，并加入 0.5_1.5%醛類物質(zhì)作為碳化促進(jìn)劑，碳化反應(yīng)和碳化物的固溶反應(yīng) 是在碳管爐中進(jìn)行，反應(yīng)溫度較常規(guī)生產(chǎn)中的反應(yīng)溫度低30(TC， 一 次性獲得金屬碳化物或金屬碳化物固溶體純度>99%的產(chǎn)品，產(chǎn)品固 溶度》99%，產(chǎn)品粒度降低至〈l,5um。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化鎢-碳化鈦-碳化鉭固溶體粉末，即在硬質(zhì)合金材料生產(chǎn)過程中加入碳化鎢-碳化鈦-碳化鉭固溶體粉末TRC-33，可使合金材料的金相組織更加均勻，產(chǎn)品的性能更加穩(wěn)定，強(qiáng)度、硬度紅韌性均有顯著的提高。TRC-33是一種非常好的固溶體，其推廣應(yīng)用前景非常遠(yuǎn)大，可使我國硬質(zhì)合金材料WC-TiC-TaC-Co的性能上一個(gè)臺(tái)階。
文檔編號C22C1/00GK101348870SQ20081003184
公開日2009年1月21日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者偉 郭 申請人:長沙偉暉高科技新材料有限公司