專利名稱：一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法及采用該硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法
一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法及采用該硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于金屬耐磨材料加工領(lǐng)域，具體涉及一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法及用該硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的高錳鋼、高鉻鑄鐵等工業(yè)中應(yīng)用廣泛的耐磨材料，在復(fù)雜工況下并不能表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。例如水泥、礦山等工業(yè)中應(yīng)用在破碎設(shè)備和粉磨設(shè)備上的磨損部件，需要同時(shí)具有高的耐磨性和沖擊韌性等力學(xué)性能，傳統(tǒng)的單一金屬耐磨材料則難以滿足這個(gè)條件。另一方面，磨損是耐磨件表面或局部材料損失的現(xiàn)象，只要提高了耐磨件表面和磨損部位的硬度，就能有效提高整個(gè)工件的耐磨性，制造成本也大大降低。其中，顆粒增強(qiáng)金屬基表層復(fù)合材料表面的高硬度陶瓷顆?；蛴操|(zhì)合金起到抵抗磨損的作用，而金屬基體良好的塑韌性也保證了耐磨件具有較長(zhǎng)的使用壽命和較高的安全性。
傳統(tǒng)金屬基表層復(fù)合耐磨件中的硬質(zhì)相在磨損件表面呈整層分布，使得復(fù)合層的脆性大、韌性低，并且在受到高沖擊時(shí)復(fù)合層易沿結(jié)合面開裂甚至剝落。因此應(yīng)用于嚴(yán)苛工況下的金屬基表層復(fù)合耐磨件要保證其服役安全性，則必須改變其整層復(fù)合的結(jié)構(gòu)。
陶瓷顆粒是工業(yè)制備金屬基復(fù)合材料時(shí)廣泛應(yīng)用的增強(qiáng)相，例如氧化鋁顆粒和碳化鎢顆粒。碳化鎢的硬度及韌性都高于氧化鋁，并且與一般鋼鐵液潤(rùn)濕性很好，可以同金屬基體形成牢固的結(jié)合。但碳化鎢與鋼鐵的熱匹配性較差，復(fù)合材料在澆鑄和冷卻過(guò)程中由于熱應(yīng)力容易在界面處產(chǎn)生裂紋。另一方面，氧化鋁與鋼鐵的熱膨脹系數(shù)差別不大，不會(huì)因熱應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)合材料中出現(xiàn)裂紋。但是氧化鋁脆性較大并且與鐵液不潤(rùn)濕，結(jié)合性能較差。因此，兩種增強(qiáng)相復(fù)合材料的制備和工業(yè)應(yīng)用都具有一定的難度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成品率高，鑄造工藝簡(jiǎn)單且易控制的硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法及采用該硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟:
I)取200 300目的碳化鎢粉末和還原鐵粉混合得到混合粉末，向混合粉末中加入過(guò)程控制劑無(wú)水乙醇混勻均勻后得到混合漿料；所述碳化鎢粉末的用量占混合粉末質(zhì)量的50% 90%，所述過(guò)程控制劑的用量為每IOOg混合粉末中加入50 70ml ；
2)向混合漿料中加入混合粉末質(zhì)量3%的有機(jī)成型劑酚醛樹脂后預(yù)壓，將預(yù)壓成型的塊體進(jìn)行過(guò)篩造粒，將過(guò)篩造粒后的粉末裝入模具中壓制，脫模后得到壓坯；
3)將壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，升溫至900 910°C時(shí)保溫I小時(shí)，繼續(xù)升溫至1200 1240°C時(shí)保溫I小時(shí)后，降溫至900°C，隨爐冷卻，得到硬質(zhì)合金預(yù)制體。
步驟2)所述模具的形狀為柱狀、條狀或蜂巢狀。
步驟3)所述的燒結(jié)升溫速度為5 8V /min,降溫速度為4 6°C /min。
一種采用權(quán)利要求1所述的方法得到的硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，包括以下步驟:
I)根據(jù)預(yù)制備的耐磨件形狀制作鑄型，在鑄型的磨損面或打擊面放入若干塊硬質(zhì)合金預(yù)制體，硬質(zhì)合金預(yù)制體之間的間距為5mm以上；
2)熔煉作為支撐基體的金屬材料，得到金屬液，在1400 1450°C下將金屬液澆入鑄型，金屬液與硬質(zhì)合金預(yù)制體形成冶金結(jié)合，冷卻后脫模得到鑄態(tài)復(fù)合耐磨件。
步驟I)所述的硬質(zhì)合金預(yù)制體的厚度為3 15mm。
步驟2)所述的作為支撐基體的金屬材料采用高錳鋼、高鉻鑄鐵或球墨鑄鐵。
所述的鑄態(tài)耐磨件整體進(jìn)行熱處理，其處理工藝如下:采用高錳鋼時(shí)，熱處理在1050 1100°C下進(jìn)行，保溫2 6.5h，冷卻得到復(fù)合耐磨件；采用高鉻鑄鐵時(shí)，熱處理為4小時(shí)內(nèi)加熱至940 1010°C，保溫2 6h，并于400 500°C回火冷卻得到復(fù)合耐磨件；采用球墨鑄鐵時(shí)，熱處理為在820 900°C淬火，200 300°C回火冷卻得到復(fù)合耐磨件。
步驟3)所述的冷卻方法為空冷或水冷。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
本發(fā)明制備的硬質(zhì)合金預(yù)制體中沒(méi)有外加任何粘結(jié)劑或鑄滲劑，與鋼鐵液潤(rùn)濕性好，發(fā)氣量小；其中抵抗磨損的部分為硬質(zhì)合金中的碳化鎢粉末，加入的還原鐵粉有效提高了硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)，克服了僅僅使用碳化鎢顆粒制備預(yù)制體后澆鑄復(fù)合材料時(shí)由于碳化鎢與金屬基體熱匹配性差而導(dǎo)致的裂紋。該硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法簡(jiǎn)單，可批量生產(chǎn)，成品率高，預(yù)制體的形狀可通過(guò)壓坯所用的模具來(lái)控制，且能夠根據(jù)產(chǎn)品需要控制預(yù)制體中碳化鎢的比例以適時(shí)地節(jié)約成本。
用本發(fā)明方法制備的復(fù)合耐磨件中增強(qiáng)相為碳化鎢硬質(zhì)合金，其與鋼鐵液的潤(rùn)濕性好，其硬度和耐磨性高、高溫穩(wěn)定性好，用本發(fā)明方法制備得到的復(fù)合耐磨件，其打擊面為基體金屬與硬質(zhì)合金兩種材料交互分布組成，金屬基體能夠?yàn)樵鰪?qiáng)相提供良好的支撐，同時(shí)降低了表層的脆性，鑄造后的復(fù)合材料通過(guò)熱處理后提高其硬度及耐磨性能。用本發(fā)明方法制備的復(fù)合耐磨件由于宏觀陰影效應(yīng)而具有高耐磨性，又能保證硬質(zhì)合金與金屬基體結(jié)合緊密、不易剝落，使得復(fù)合耐磨件在工作時(shí)安全性更高，使用壽命更長(zhǎng)。


圖1為本發(fā)明采用的鑄造工藝示意圖2為本發(fā)明制備的蜂巢型表層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的復(fù)合耐磨部件，其中3a為圓柱狀復(fù)合耐磨部件，3b為條狀復(fù)合耐磨部件，3c為蜂巢型復(fù)合耐磨部件；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的復(fù)合耐磨部件，其中4a為單排孔復(fù)合耐磨部件，4b為多排孔復(fù)合耐磨部件；
圖5本發(fā)明實(shí)施例3制備的復(fù)合耐磨部件及鑄造工藝示意圖，其中5a為錘體式磨輥復(fù)合耐磨件，5b為輪胎式磨輥復(fù)合耐磨件，5c為磨輥復(fù)合耐磨件鑄造工藝示意圖，5d為輪胎式磨輥復(fù)合耐磨件鑄造工藝示意圖6為本發(fā)明實(shí)施例4制備的復(fù)合耐磨部件。
其中，I為金屬基體；2為硬質(zhì)合金；3為型砂；4為上型；5為下型；6為砂芯。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
實(shí)施例1:錘式破碎機(jī)錘頭
I)首先，將粒徑為200-300目的WC粉末與還原鐵粉加入適量過(guò)程控制劑機(jī)械混合均勻得到混合粉末；其中WC粉末的加入量為混合粉末質(zhì)量的50%，過(guò)程控制劑的加入量為每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，將所述混合粉末加入有機(jī)成型劑后填入壓模，預(yù)壓成型之后取出塊體，過(guò)篩造粒后將粉末裝入圓柱狀、條狀、蜂巢狀模具進(jìn)行壓制，脫模后得到所需尺寸的壓坯。
3)將壓坯置于石墨容器中，放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為5_8°C /min，到達(dá)900°C和1200°C時(shí)分別保溫一小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻到900°C后，隨爐冷卻，得到蜂巢狀硬質(zhì)合金預(yù)制體。
4)在鑄型的端面?zhèn)?工作面或打擊面)放入多塊厚度為3_15mm的硬質(zhì)合金預(yù)制體，預(yù)制體之間相距5mm以上。
5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉高錳鋼形成金屬液并澆入鑄型，澆鑄溫度為1400-1450°C，金屬液進(jìn)入硬質(zhì)合金的孔隙中與硬質(zhì)合金相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，冷卻脫模后得到鑄態(tài)復(fù)合耐磨件，圓柱狀(圖3a)、條狀(圖3b)、蜂巢狀(圖3c)硬質(zhì)合金在錘頭打擊面呈規(guī)律分布。再將制得的錘頭進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為加熱到1050-1100°C，保溫適當(dāng)時(shí)間后水冷。
實(shí)施例2:破碎機(jī)板錘
I)首先，將粒徑為200-300目的WC粉末與還原鐵粉加入適量過(guò)程控制劑機(jī)械混合均勻得到混合粉末；其中WC粉末的加入量為混合粉末質(zhì)量的50%，過(guò)程控制劑的加入量為每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，將所述混合粉末加入有機(jī)成型劑后填入壓模，預(yù)壓成型之后取出塊體，過(guò)篩造粒后將粉末裝入蜂巢狀模具進(jìn)行壓制，脫模后得到所需尺寸的壓坯。
3)將壓坯置于石墨容器中，放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為5_8°C /min，到達(dá)900°C和1220°C時(shí)分別保溫一小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻到900°C后，隨爐冷卻，得到蜂巢狀硬質(zhì)合金預(yù)制體。
4)在鑄型的端面?zhèn)?工作面或打擊面)放入厚度為3_15mm的硬質(zhì)合金預(yù)制體。制備厚度較薄的板錘時(shí)可放入呈細(xì)長(zhǎng)條狀的一排孔預(yù)制體；制備較厚大的板錘時(shí)可放入多排孔的預(yù)制體，各個(gè)預(yù)制體之間相距5mm以上。
5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉高鉻鑄鐵形成金屬液并澆入鑄型，澆鑄溫度為1400-1450°C，金屬液進(jìn)入硬質(zhì)合金的孔隙中與硬質(zhì)合金相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，冷卻脫模后得到鑄態(tài)復(fù)合耐磨件，單排孔(圖4a)、多排孔(圖4b)硬質(zhì)合金在板錘工作面呈規(guī)律分布。再將制得的錘頭進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為4小時(shí)加熱到980°C，保溫120min，然后空冷。
實(shí)施例3:立式水泥磨磨輥
I)首先，將粒徑為200-300目的WC粉末與還原鐵粉加入適量過(guò)程控制劑機(jī)械混合均勻得到混合粉末；其中WC粉末的加入量為混合粉末質(zhì)量的80%，過(guò)程控制劑的加入量為每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，將所述混合粉末加入有機(jī)成型劑后填入壓模，預(yù)壓成型之后取出塊體，過(guò)篩造粒后將粉末裝入條狀模具進(jìn)行壓制，脫模后得到所需尺寸的壓坯。
3)將壓坯置于石墨盒中，放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為5_8°C /min，到達(dá)910°C和1240°C時(shí)分別保溫一小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻到900°C后，隨爐冷卻，得到條狀硬質(zhì)合金預(yù)制體。
4)在鑄型的端面?zhèn)?工作面或打擊面)放入多塊厚度為3_15mm的硬質(zhì)合金預(yù)制體，預(yù)制體之間相距5mm以上。
5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉球墨鑄鐵形成金屬液并澆入鑄型，澆鑄溫度為1400-1450°C，金屬液進(jìn)入硬質(zhì)合金的孔隙中與硬質(zhì)合金相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，冷卻脫模后得到鑄態(tài)復(fù)合耐磨件，條狀硬質(zhì)合金在錘體式磨輥(圖5a、圖5c)、輪胎式磨輥(圖5b、圖5d)的磨損面上呈規(guī)律性分布。再將制得的工件進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為820 900°C淬火，200 300°C回火。
實(shí)施例4:立式水泥磨磨盤
I)首先，將粒徑為200-300目的WC粉末與還原鐵粉加入適量過(guò)程控制劑機(jī)械混合均勻得到混合粉末；其中WC粉末的加入量為混合粉末質(zhì)量的90%，過(guò)程控制劑的加入量為每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，將所述混合粉末加入有機(jī)成型劑后填入壓模，預(yù)壓成型之后取出塊體，過(guò)篩造粒后將粉末裝入蜂巢狀模具進(jìn)行壓制，脫模后得到所需尺寸的壓坯。
3)將壓坯置于石墨盒中，放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為5_8°C /min，到達(dá)910°C和1240°C時(shí)分別保溫一小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻到900°C后，隨爐冷卻，得到蜂巢狀硬質(zhì)合金預(yù)制體。
4)如立式水泥磨盤一類的大型耐磨部件，一般較難一次澆鑄完成，因此采取分塊鑄造、拼裝成件的方法。需要在鑄型的端面?zhèn)?工作面或打擊面)放入多塊厚度為3-15mm的硬質(zhì)合金預(yù)制體，預(yù)制體之間相距5mm以上。
5)在中頻感應(yīng)電爐中熔煉高鉻鑄鐵形成金屬液并澆入鑄型，澆鑄溫度為1400-1450°C，金屬液進(jìn)入硬質(zhì)合金的孔隙中與硬質(zhì)合金相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合，冷卻脫模后得到鑄態(tài)復(fù)合耐磨件，蜂窩狀硬質(zhì)合金在磨盤塊磨損面呈規(guī)律分布(圖6)。再將制得的磨盤塊進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為4小時(shí)加熱到980°C，保溫120min，然后空冷。
綜上，本發(fā)明的硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法簡(jiǎn)單，根據(jù)實(shí)際需求，選取不同形狀的模具來(lái)壓制不同的預(yù)制體，并且能夠根據(jù)產(chǎn)品需要控制預(yù)制體中碳化鎢的比例以適時(shí)地節(jié)約成本；用制備好的硬質(zhì)合金預(yù)制體進(jìn)一步制成復(fù)合耐磨件，可以根據(jù)預(yù)加工耐磨部件的形狀、排布方式，選取合適形狀、尺寸及數(shù)量的硬質(zhì)合金預(yù)制體，通過(guò)將硬質(zhì)合金預(yù)制體與待加工部件的金屬基體相結(jié)合，金屬基體為硬質(zhì)合金增強(qiáng)相提供了很好的支撐，同時(shí)降低了耐磨件表層的脆性，使形成的復(fù)合耐磨部件具有更高的耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)取200 300目的碳化鎢粉末和還原鐵粉混合得到混合粉末，向混合粉末中加入過(guò)程控制劑無(wú)水乙醇混勻均勻后得到混合漿料；所述碳化鎢粉末的用量占混合粉末質(zhì)量的50% 90%，所述過(guò)程控制劑的用量為每IOOg混合粉末中加入50 70ml ； 2)向混合漿料中加入混合粉末質(zhì)量3%的有機(jī)成型劑酚醛樹脂后預(yù)壓，將預(yù)壓成型的塊體進(jìn)行過(guò)篩造粒，將過(guò)篩造粒后的粉末裝入模具中壓制，脫模后得到壓坯； 3)將壓坯進(jìn)行真空燒結(jié)，升溫至900 910°C時(shí)保溫I小時(shí)，繼續(xù)升溫至1200 1240°C時(shí)保溫I小時(shí)后，降溫至900°C，隨爐冷卻，得到硬質(zhì)合金預(yù)制體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法，其特征在于:步驟2)所述模具的形狀為柱狀、條狀或蜂巢狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法，其特征在于:步驟3)所述的燒結(jié)升溫速度為5 8°C /min,降溫速度為4 6°C /min。
4.一種采用權(quán)利要求1所述的方法得到的硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)預(yù)制備的耐磨件形狀制作鑄型，在鑄型的磨損面或打擊面放入若干塊硬質(zhì)合金預(yù)制體，硬質(zhì)合金預(yù)制體之間的間距為5mm以上； 2)熔煉作為支撐基體的金屬材料，得到金屬液，在1400 1450°C下將金屬液澆入鑄型，金屬液與硬質(zhì)合金預(yù)制體形成冶金結(jié)合，冷卻后脫模得到鑄態(tài)復(fù)合耐磨件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，其特征在于:步驟I)所述的硬質(zhì)合金預(yù)制體的厚度為3 15mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，其特征在于:步驟2)所述的作為支撐基體的金屬材料采用高錳鋼、高鉻鑄鐵或球墨鑄鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的采用硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，其特征在于:所述的鑄態(tài)耐磨件整體進(jìn)行熱處理，其處理工藝如下:采用高錳鋼時(shí)，熱處理在1050 1100°C下進(jìn)行，保溫2 6.5h，冷卻得到復(fù)合耐磨件；采用高鉻鑄鐵時(shí)，熱處理為4小時(shí)內(nèi)加熱至940 1010°C，保溫2 6h，并于400 500°C回火冷卻得到復(fù)合耐磨件；采用球墨鑄鐵時(shí)，熱處理為在820 900°C淬火，200 300°C回火冷卻得到復(fù)合耐磨件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，其特征在于:步驟3)所述的冷卻方法為空冷或水冷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法及采用該硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法，硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法為1)以碳化鎢粉末和還原鐵粉為原料，加入過(guò)程控制劑混勻形成混合漿料；2)向混合漿料中加入有機(jī)成型劑后經(jīng)過(guò)預(yù)壓、過(guò)篩造粒及壓模得到壓坯；3)將壓坯進(jìn)行蒸空燒結(jié)，得到硬質(zhì)合金預(yù)制體。采用該硬質(zhì)合金預(yù)制體制備復(fù)合耐磨件的方法為1)將合金預(yù)制體放置預(yù)制備耐磨件的鑄型表面；2)將熔煉好的金屬液澆入鑄型，結(jié)合后冷卻脫模；3)熱處理并冷卻得到復(fù)合耐磨件。本發(fā)明硬質(zhì)合金預(yù)制體的制備方法簡(jiǎn)單，可批量生產(chǎn)，成品率高；進(jìn)一步制備的復(fù)合耐磨件，硬度和耐磨性高，在工作時(shí)安全性更高，使用壽命更長(zhǎng)。
文檔編號(hào)B22D19/00GK103143708SQ20131007534
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者湯姝莉, 李燁飛, 高義民, 邢建東, 鄭開宏 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 廣州有色金屬研究院