专利名称：一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法。适合于要求合金表面硬度及耐磨性高、冲击韧性高和耐疲劳的钻探或者盾构硬质合金产品的制备。属于硬质合金材料制造技术领域。
背景技术：
硬质合金被誉为“工业的牙齿”，具有高强度、高硬度、耐疲劳、耐腐蚀、低热膨胀系数等特点，被广泛应用于机械加工、矿业开采等行业。随着对硬质合金研究进程的不断推进，硬质合金正朝着超粗和超细晶粒两个方向发展。按Sandvik公司有关硬质合金的分类 标准，合金中WC晶粒度为3. 5 4. 9 μ m>5. O 7. 9 μ m>8. O 14 μ m的硬质合金分别为粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬质合金。在合金中Co含量相同的条件下,相对于中、粗晶粒硬质合金，特、超粗晶粒硬质合金拥有较大的热导率，较高的断裂韧性和较好的抗热疲劳与抗热冲击性能，被应用于对韧性与抗热疲劳、抗热冲击性能要求较高的冲压模、热轧辊等机械零部件之中，和作为极端工矿条件下连续开采软岩的凿岩器械部件。实际开采过程中，凿岩硬质合金工作环境恶劣，岩层的状况及其复杂，其损坏和失效的方式也不一样。研究发现，凿岩硬质合金发生失效有以下主要形式冲击疲劳、磨粒磨损和热疲劳。对于硬岩层来说，磨粒磨损程度相对低一些，合金失效主要由冲击和冲击疲劳导致。粗大的硬质合金相晶粒由于表面积较小，使粘结相分布较广，有利于提高合金的冲击韧性。现有的制备超粗晶合金的方法主要是超高温碳化(1800-2000°C)和超高温烧结(1450-1500°C )，使硬质合金整体晶粒度提高到8-14 μ m。由于硬质合金晶粒度越高强度和硬度都会下降，而且上述工艺对提高硬质合金晶粒度的程度也有限。硬质合金钻齿的主要工作部位是表面。只要保证表面的韧性，就能够保证钻齿的服役性能。因此，本研究开发了一种表面具有晶粒度达20 μ m的超粗晶合金，而内部仍然在5-7 μ m的正常合金范围。
发明内容
本发明的目的是针对实际的需求，提供一种工艺方法简单、设备投资少、过程控制简便的表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法。本发明一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，包括下述步骤第一步配料、混料配制总碳量比平衡碳量低O. 2-0. 7wt%的硬质合金,湿磨,制粒,干燥；第二步冷压、脱蜡向第一步所得粉末中添加成型剂，混合均匀后冷压成型；在氢气氛中加热至850-950°C排除成形剂，得到预制硬质合金；第三步渗碳烧结处理将预制硬质合金埋在石墨颗粒中或者置于压力为O. l-2MPa的烷基气体气氛中，在氢气气氛保护环境下加热渗碳烧结，随炉冷却至常温后出炉；渗碳烧结温度为14000C _1500°C，保温时间 lh-4h。本发明一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，第一步中，所述硬质合金由难熔金属W，Ti, Ta, Nb, Hf中的一种的贫碳碳化物与粘结金属Co，Fe, Ni或其合金中的一种为原料制备得到，原料配比的总碳量比平衡碳量低O. 2-0. 7wt%的硬质合金；所述硬质合金中各组分的平均粒度，金属碳化物为1-5 μ m,粘结金属或合金粉末为1-10 μ m ;所述贫碳碳化物中碳含量低于相应金属碳化物的标准化学计量值。本发明涉及一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，第一步中，所述湿磨工艺参数为球磨介质选自汽油、酒精、丙酮中的一种；球料质量比为O. 5-2 1 ;球磨转速为30-120转/分钟，球磨时间10-24小时。本发明涉及一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，第二步中，所述成型 剂选自石蜡、橡胶中的一种，成型剂占粉末质量O. 1-0. 3% ;冷压成型压力为100-300MPa。本发明采用上述工艺方法，在正常制备硬质合金的基础上，通过降低球磨转速，降低球磨破碎效率，增加球磨时间提高混合率，以免硬质合金相晶粒被过度破碎，提高最终产物表面晶粒大小的均匀性。渗碳烧结，对硬质合金表面渗碳，使其表面达到正常硬质合金碳含量，保证硬质合金表面的强度及硬度；采用较高的渗碳烧结温度，并适当延长保温时间，可以促使合金表面较小晶粒进一步溶解再结晶并不断发生长大，最终得到表面具有超粗晶的硬质合金。制得的硬质合金表面晶粒超过常规晶粒的尺寸特征，因此具有高韧性和高耐磨性。综上所述，本发明工艺简单、设备投资少、过程控制简便，制备的合金表层晶粒粗大，具有较好的强韧性，适于要求合金表面硬度及耐磨性高、冲击韧性高和耐疲劳的钻探或者盾构硬质合金产品的制备，适于工业化生产。
附图I为本发明制备表层具有超粗晶粒的硬质合金的工艺流程图；附图2为本发明实施例I中硬质合金渗碳烧结后的SM图片；附图3为本发明实施例2中硬质合金渗碳烧结后的SM图片；附图4为本发明实施例3中硬质合金渗碳烧结后的SEM图片。附图5为本发明实施例4中硬质合金渗碳烧结后的SEM图片。从图2可以看出，实施例I制备的硬质合金渗碳烧结后，WC晶粒度在5 μ m-18 μ m之间。从图3可以看出，实施例2制备的硬质合金渗碳烧结后，粗WC晶粒较多，平均晶粒度在10 μ m左右。从图4可以看出，实施例3制备的硬质合金渗碳烧结后，WC最大晶粒度超过20 μ m0从图5可以看出，实施例4制备的70%TiC_30% (Fe-16. 7%Ni)硬质合金渗碳烧结后，TiC平均晶粒度在8-10 μ m之间。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。实施例I采用原始粉末为费氏粒度为2 μ m的WC粉末、贫碳量O. 4wt%,纯度为99%的钴粉，配成WC-6C0 wt. %合金成分，配料重量为1kg。将原始粉末放入球磨桶内进行湿磨，球磨介质为汽油，球磨时间为10h，将所得粉末进行干燥，冷压后，在900°C氢气氛脱蜡I小时，得到预制硬质合金。将其在甲烷和氢气混合气氛中加热至1400°C保温2小时进行渗碳处理，在氢气气氛保护环境中快速冷却得到表面具有超粗晶粒的硬质合金。SEM图片见附图2 ;从图中可得出，WC晶粒度在5 μ m-18 μ m之间。
实施例2采用原始粉末为费氏粒度为2μπι的WC粉末、纯度为99%的钴粉，添加W粉，使贫碳量调为O. 4wt%,配成WC-6C0 wt. %合金成分,配料重量为1kg。将原始粉末放入球磨桶内进行湿磨，球磨介质为汽油，球磨时间为14h，将所得粉末进行干燥，冷压后，在900°C氢气氛脱蜡I小时，得到预制硬质合金。将其埋入碳粉内于氢气气氛中加热至1430°C保温I. 5小时进行渗碳烧结处理，在氢气气氛保护环境中快速冷却得到表面具有超粗晶粒的硬质合金。SEM图片见附图3 ;从图中可得出，粗WC晶粒较多，平均晶粒度在10 μ m左右。实施例3采用原始粉末为费氏粒度为2μπι的WC粉末、纯度为99%的钴粉，添加W粉，使贫碳量调为O. 5wt%，配成WC-6C0 wt. %合金成分，配料重量为1kg。将原始粉末放入球磨桶内进行湿磨，球磨介质为汽油，球磨时间为24h，将所得粉末进行干燥，冷压后，在900°C氢气氛脱蜡I小时，得到预制硬质合金。将其埋入碳粉内于氢气气氛中加热至1460°C保温3. 5小时进行渗碳烧结处理，在氢气气氛保护环境中快速冷却得到表面具有超粗晶粒的硬质合金。SEM图片见附图4 ;从图中可得出，WC最大晶粒度超过20 μ m0实施例4原始粉末为粒度为2 μ m的TiC粉末(贫碳量调为O. 5wt%)、纯度为99 %的Fe-16. 7%Ni (原子比)粉，配成70%TiC_30% (Fe-16. 7%Ni)(重量比)合金成分，配料重量为 1kg。将原始粉末放入球磨桶内进行湿磨，球磨介质为汽油，球磨时间为24h，将所得粉末进行干燥，冷压后，在700°C真空脱蜡I小时，得到预制硬质合金。将其埋入碳粉内于氢气气氛中加热至1400°C保温3. 5小时进行渗碳烧结处理，在氢气气氛保护环境中快速冷却得到表面具有超粗晶粒的硬质合金。SEM图片见附图5 ;从图中可得出，最大晶粒度约14 μ m。
权利要求
1.一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，包括下述步骤 第一步配料、混料 配制总碳量比平衡碳量低O. 2-0. 7wt%的硬质合金，湿磨，制粒，干燥； 第二步冷压、脱蜡 向第一步所得粉末中添加成型剂，混合均匀后冷压成型；在氢气氛中加热至850-950°C排除成形剂，得到预制硬质合金； 第三步渗碳烧结处理 将预制硬质合金埋在石墨颗粒中或者置于压力为O. l_2MPa的烷基气体气氛中，在氢气气氛保护环境下加热渗碳烧结，随炉冷却至常温后出炉；渗碳烧结温度为1400°C —1500°C，保温时间 Ih — 4h。
2.根据权利要求I所述的一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于第一步中，所述硬质合金由难熔金属W, Ti, Ta, Nb, Hf中的一种的贫碳碳化物与粘结金属Co，Fe，Ni或其合金中的一种为原料制备得到，原料配比的总碳量比平衡碳量低.O.2-0. 7wt%的硬质合金；所述硬质合金中各组分的平均粒度，金属碳化物为1-5 μ m,粘结金属或合金粉末为I-IOym ;所述贫碳碳化物中碳含量低于相应金属碳化物的标准化学计量值。
3.根据权利要求I所述的一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于第一步中，所述湿磨工艺参数为球磨介质选自汽油、酒精、丙酮中的一种；球料质量比为O. 5-2 1 ;球磨转速为30-120转/分钟，球磨时间10-24小时。
4.根据权利要求I所述的一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，其特征在于第二步中，所述成型剂选自石蜡、橡胶中的一种，成型剂占粉末质量O. 1-0. 3% ;冷压成型压力为100-300MPa。
全文摘要
一种表面具有超粗晶的硬质合金的制备方法，属于硬质合金材料制造领域；制备步骤为选用高硬度难熔金属碳化物粉末做为原料，控制碳含量后，同粘结金属或合金粉末混料湿磨后进行干燥、冷压成型、脱蜡、于高碳势气氛下渗碳烧结，渗碳温度控制在1400℃-1500℃之间，时间为1-4小时，得到表面具有超粗晶粒的硬质合金。本发明工艺简单、设备投资少、过程控制简便，制备的合金表层晶粒粗大，表面硬质相最大晶粒度可达20μm，具有较好的强韧性，适于要求合金表面硬度及耐磨性高、冲击韧性高和耐疲劳的钻探或者盾构硬质合金产品的制备，适于工业化生产。
文档编号C22C29/06GK102965534SQ20121045351
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者刘咏, 张明阳, 张伟 申请人:中南大学