专利名称：一种硬质合金预制体的制备方法及采用该硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法
一种硬质合金预制体的制备方法及采用该硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法技术领域
本发明属于金属耐磨材料加工领域，具体涉及一种硬质合金预制体的制备方法及用该硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法。
背景技术：
传统的高锰钢、高铬铸铁等工业中应用广泛的耐磨材料，在复杂工况下并不能表现出优异的耐磨性能。例如水泥、矿山等工业中应用在破碎设备和粉磨设备上的磨损部件，需要同时具有高的耐磨性和冲击韧性等力学性能，传统的单一金属耐磨材料则难以满足这个条件。另一方面，磨损是耐磨件表面或局部材料损失的现象，只要提高了耐磨件表面和磨损部位的硬度，就能有效提高整个工件的耐磨性，制造成本也大大降低。其中，颗粒增强金属基表层复合材料表面的高硬度陶瓷颗粒或硬质合金起到抵抗磨损的作用，而金属基体良好的塑韧性也保证了耐磨件具有较长的使用寿命和较高的安全性。
传统金属基表层复合耐磨件中的硬质相在磨损件表面呈整层分布，使得复合层的脆性大、韧性低，并且在受到高冲击时复合层易沿结合面开裂甚至剥落。因此应用于严苛工况下的金属基表层复合耐磨件要保证其服役安全性，则必须改变其整层复合的结构。
陶瓷颗粒是工业制备金属基复合材料时广泛应用的增强相，例如氧化铝颗粒和碳化钨颗粒。碳化钨的硬度及韧性都高于氧化铝，并且与一般钢铁液润湿性很好，可以同金属基体形成牢固的结合。但碳化钨与钢铁的热匹配性较差，复合材料在浇铸和冷却过程中由于热应力容易在界面处产生裂纹。另一方面，氧化铝与钢铁的热膨胀系数差别不大，不会因热应力导致复合材料中出现裂纹。但是氧化铝脆性较大并且与铁液不润湿，结合性能较差。因此，两种增强相复合材料的制备和工业应用都具有一定的难度。发明内容
本发明的目的在于提供一种成品率高，铸造工艺简单且易控制的硬质合金预制体的制备方法及采用该硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法。
本发明的硬质合金预制体的制备方法，包括以下步骤:
I)取200 300目的碳化钨粉末和还原铁粉混合得到混合粉末，向混合粉末中加入过程控制剂无水乙醇混匀均匀后得到混合浆料；所述碳化钨粉末的用量占混合粉末质量的50% 90%，所述过程控制剂的用量为每IOOg混合粉末中加入50 70ml ；
2)向混合浆料中加入混合粉末质量3%的有机成型剂酚醛树脂后预压，将预压成型的块体进行过筛造粒，将过筛造粒后的粉末装入模具中压制，脱模后得到压坯；
3)将压坯进行真空烧结，升温至900 910°C时保温I小时，继续升温至1200 1240°C时保温I小时后，降温至900°C，随炉冷却，得到硬质合金预制体。
步骤2)所述模具的形状为柱状、条状或蜂巢状。
步骤3)所述的烧结升温速度为5 8V /min,降温速度为4 6°C /min。
一种采用权利要求1所述的方法得到的硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，包括以下步骤:
I)根据预制备的耐磨件形状制作铸型，在铸型的磨损面或打击面放入若干块硬质合金预制体，硬质合金预制体之间的间距为5mm以上；
2)熔炼作为支撑基体的金属材料，得到金属液，在1400 1450°C下将金属液浇入铸型，金属液与硬质合金预制体形成冶金结合，冷却后脱模得到铸态复合耐磨件。
步骤I)所述的硬质合金预制体的厚度为3 15mm。
步骤2)所述的作为支撑基体的金属材料采用高锰钢、高铬铸铁或球墨铸铁。
所述的铸态耐磨件整体进行热处理，其处理工艺如下:采用高锰钢时，热处理在1050 1100°C下进行，保温2 6.5h，冷却得到复合耐磨件；采用高铬铸铁时，热处理为4小时内加热至940 1010°C，保温2 6h，并于400 500°C回火冷却得到复合耐磨件；采用球墨铸铁时，热处理为在820 900°C淬火，200 300°C回火冷却得到复合耐磨件。
步骤3)所述的冷却方法为空冷或水冷。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
本发明制备的硬质合金预制体中没有外加任何粘结剂或铸渗剂，与钢铁液润湿性好，发气量小；其中抵抗磨损的部分为硬质合金中的碳化钨粉末，加入的还原铁粉有效提高了硬质合金的热膨胀系数，克服了仅仅使用碳化钨颗粒制备预制体后浇铸复合材料时由于碳化钨与金属基体热匹配性差而导致的裂纹。该硬质合金预制体的制备方法简单，可批量生产，成品率高，预制体的形状可通过压坯所用的模具来控制，且能够根据产品需要控制预制体中碳化钨的比例以适时地节约成本。
用本发明方法制备的复合耐磨件中增强相为碳化钨硬质合金，其与钢铁液的润湿性好，其硬度和耐磨性高、高温稳定性好，用本发明方法制备得到的复合耐磨件，其打击面为基体金属与硬质合金两种材料交互分布组成，金属基体能够为增强相提供良好的支撑，同时降低了表层的脆性，铸造后的复合材料通过热处理后提高其硬度及耐磨性能。用本发明方法制备的复合耐磨件由于宏观阴影效应而具有高耐磨性，又能保证硬质合金与金属基体结合紧密、不易剥落，使得复合耐磨件在工作时安全性更高，使用寿命更长。
图1为本发明采用的铸造工艺示意图2为本发明制备的蜂巢型表层复合材料的结构示意图3为本发明实施例1制备的复合耐磨部件，其中3a为圆柱状复合耐磨部件，3b为条状复合耐磨部件，3c为蜂巢型复合耐磨部件；
图4为本发明实施例2制备的复合耐磨部件，其中4a为单排孔复合耐磨部件，4b为多排孔复合耐磨部件；
图5本发明实施例3制备的复合耐磨部件及铸造工艺示意图，其中5a为锤体式磨辊复合耐磨件，5b为轮胎式磨辊复合耐磨件，5c为磨辊复合耐磨件铸造工艺示意图，5d为轮胎式磨辊复合耐磨件铸造工艺示意图6为本发明实施例4制备的复合耐磨部件。
其中，I为金属基体；2为硬质合金；3为型砂；4为上型；5为下型；6为砂芯。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1:锤式破碎机锤头
I)首先，将粒径为200-300目的WC粉末与还原铁粉加入适量过程控制剂机械混合均匀得到混合粉末；其中WC粉末的加入量为混合粉末质量的50%，过程控制剂的加入量为每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，将所述混合粉末加入有机成型剂后填入压模，预压成型之后取出块体，过筛造粒后将粉末装入圆柱状、条状、蜂巢状模具进行压制，脱模后得到所需尺寸的压坯。
3)将压坯置于石墨容器中，放入真空烧结炉中烧结，升温速度为5_8°C /min，到达900°C和1200°C时分别保温一小时，随后以4-6°C /min进行冷却，冷却到900°C后，随炉冷却，得到蜂巢状硬质合金预制体。
4)在铸型的端面侧(工作面或打击面)放入多块厚度为3_15mm的硬质合金预制体，预制体之间相距5mm以上。
5)在中频感应电炉中熔炼高锰钢形成金属液并浇入铸型，浇铸温度为1400-1450°C，金属液进入硬质合金的孔隙中与硬质合金相互扩散形成冶金结合，冷却脱模后得到铸态复合耐磨件，圆柱状(图3a)、条状(图3b)、蜂巢状(图3c)硬质合金在锤头打击面呈规律分布。再将制得的锤头进行热处理，热处理工艺为加热到1050-1100°C，保温适当时间后水冷。
实施例2:破碎机板锤
I)首先，将粒径为200-300目的WC粉末与还原铁粉加入适量过程控制剂机械混合均匀得到混合粉末；其中WC粉末的加入量为混合粉末质量的50%，过程控制剂的加入量为每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，将所述混合粉末加入有机成型剂后填入压模，预压成型之后取出块体，过筛造粒后将粉末装入蜂巢状模具进行压制，脱模后得到所需尺寸的压坯。
3)将压坯置于石墨容器中，放入真空烧结炉中烧结，升温速度为5_8°C /min，到达900°C和1220°C时分别保温一小时，随后以4-6°C /min进行冷却，冷却到900°C后，随炉冷却，得到蜂巢状硬质合金预制体。
4)在铸型的端面侧(工作面或打击面)放入厚度为3_15mm的硬质合金预制体。制备厚度较薄的板锤时可放入呈细长条状的一排孔预制体；制备较厚大的板锤时可放入多排孔的预制体，各个预制体之间相距5mm以上。
5)在中频感应电炉中熔炼高铬铸铁形成金属液并浇入铸型，浇铸温度为1400-1450°C，金属液进入硬质合金的孔隙中与硬质合金相互扩散形成冶金结合，冷却脱模后得到铸态复合耐磨件，单排孔(图4a)、多排孔(图4b)硬质合金在板锤工作面呈规律分布。再将制得的锤头进行热处理，热处理工艺为4小时加热到980°C，保温120min，然后空冷。
实施例3:立式水泥磨磨辊
I)首先，将粒径为200-300目的WC粉末与还原铁粉加入适量过程控制剂机械混合均匀得到混合粉末；其中WC粉末的加入量为混合粉末质量的80%，过程控制剂的加入量为每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，将所述混合粉末加入有机成型剂后填入压模，预压成型之后取出块体，过筛造粒后将粉末装入条状模具进行压制，脱模后得到所需尺寸的压坯。
3)将压坯置于石墨盒中，放入真空烧结炉中烧结，升温速度为5_8°C /min，到达910°C和1240°C时分别保温一小时，随后以4-6°C /min进行冷却，冷却到900°C后，随炉冷却，得到条状硬质合金预制体。
4)在铸型的端面侧(工作面或打击面)放入多块厚度为3_15mm的硬质合金预制体，预制体之间相距5mm以上。
5)在中频感应电炉中熔炼球墨铸铁形成金属液并浇入铸型，浇铸温度为1400-1450°C，金属液进入硬质合金的孔隙中与硬质合金相互扩散形成冶金结合，冷却脱模后得到铸态复合耐磨件，条状硬质合金在锤体式磨辊(图5a、图5c)、轮胎式磨辊(图5b、图5d)的磨损面上呈规律性分布。再将制得的工件进行热处理，热处理工艺为820 900°C淬火，200 300°C回火。
实施例4:立式水泥磨磨盘
I)首先，将粒径为200-300目的WC粉末与还原铁粉加入适量过程控制剂机械混合均匀得到混合粉末；其中WC粉末的加入量为混合粉末质量的90%，过程控制剂的加入量为每IOOg混合粉末中加入50-70mL。
2)其次，将所述混合粉末加入有机成型剂后填入压模，预压成型之后取出块体，过筛造粒后将粉末装入蜂巢状模具进行压制，脱模后得到所需尺寸的压坯。
3)将压坯置于石墨盒中，放入真空烧结炉中烧结，升温速度为5_8°C /min，到达910°C和1240°C时分别保温一小时，随后以4-6°C /min进行冷却，冷却到900°C后，随炉冷却，得到蜂巢状硬质合金预制体。
4)如立式水泥磨盘一类的大型耐磨部件，一般较难一次浇铸完成，因此采取分块铸造、拼装成件的方法。需要在铸型的端面侧(工作面或打击面)放入多块厚度为3-15mm的硬质合金预制体，预制体之间相距5mm以上。
5)在中频感应电炉中熔炼高铬铸铁形成金属液并浇入铸型，浇铸温度为1400-1450°C，金属液进入硬质合金的孔隙中与硬质合金相互扩散形成冶金结合，冷却脱模后得到铸态复合耐磨件，蜂窝状硬质合金在磨盘块磨损面呈规律分布(图6)。再将制得的磨盘块进行热处理，热处理工艺为4小时加热到980°C，保温120min，然后空冷。
综上，本发明的硬质合金预制体的制备方法简单，根据实际需求，选取不同形状的模具来压制不同的预制体，并且能够根据产品需要控制预制体中碳化钨的比例以适时地节约成本；用制备好的硬质合金预制体进一步制成复合耐磨件，可以根据预加工耐磨部件的形状、排布方式，选取合适形状、尺寸及数量的硬质合金预制体，通过将硬质合金预制体与待加工部件的金属基体相结合，金属基体为硬质合金增强相提供了很好的支撑，同时降低了耐磨件表层的脆性，使形成的复合耐磨部件具有更高的耐磨性。
权利要求
1.一种硬质合金预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)取200 300目的碳化钨粉末和还原铁粉混合得到混合粉末，向混合粉末中加入过程控制剂无水乙醇混匀均匀后得到混合浆料；所述碳化钨粉末的用量占混合粉末质量的50% 90%，所述过程控制剂的用量为每IOOg混合粉末中加入50 70ml ； 2)向混合浆料中加入混合粉末质量3%的有机成型剂酚醛树脂后预压，将预压成型的块体进行过筛造粒，将过筛造粒后的粉末装入模具中压制，脱模后得到压坯； 3)将压坯进行真空烧结，升温至900 910°C时保温I小时，继续升温至1200 1240°C时保温I小时后，降温至900°C，随炉冷却，得到硬质合金预制体。
2.根据权利要求1所述的一种硬质合金预制体的制备方法，其特征在于:步骤2)所述模具的形状为柱状、条状或蜂巢状。
3.根据权利要求1所述的一种硬质合金预制体的制备方法，其特征在于:步骤3)所述的烧结升温速度为5 8°C /min,降温速度为4 6°C /min。
4.一种采用权利要求1所述的方法得到的硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)根据预制备的耐磨件形状制作铸型，在铸型的磨损面或打击面放入若干块硬质合金预制体，硬质合金预制体之间的间距为5mm以上； 2)熔炼作为支撑基体的金属材料，得到金属液，在1400 1450°C下将金属液浇入铸型，金属液与硬质合金预制体形成冶金结合，冷却后脱模得到铸态复合耐磨件。
5.根据权利要求4所述的采用硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，其特征在于:步骤I)所述的硬质合金预制体的厚度为3 15mm。
6.根据权利要求4所述的采用硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，其特征在于:步骤2)所述的作为支撑基体的金属材料采用高锰钢、高铬铸铁或球墨铸铁。
7.根据权利要求4所述的采用硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，其特征在于:所述的铸态耐磨件整体进行热处理，其处理工艺如下:采用高锰钢时，热处理在1050 1100°C下进行，保温2 6.5h，冷却得到复合耐磨件；采用高铬铸铁时，热处理为4小时内加热至940 1010°C，保温2 6h，并于400 500°C回火冷却得到复合耐磨件；采用球墨铸铁时，热处理为在820 900°C淬火，200 300°C回火冷却得到复合耐磨件。
8.根据权利要求7所述的采用硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，其特征在于:步骤3)所述的冷却方法为空冷或水冷。
全文摘要
本发明公开了一种硬质合金预制体的制备方法及采用该硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法，硬质合金预制体的制备方法为1)以碳化钨粉末和还原铁粉为原料，加入过程控制剂混匀形成混合浆料；2)向混合浆料中加入有机成型剂后经过预压、过筛造粒及压模得到压坯；3)将压坯进行蒸空烧结，得到硬质合金预制体。采用该硬质合金预制体制备复合耐磨件的方法为1)将合金预制体放置预制备耐磨件的铸型表面；2)将熔炼好的金属液浇入铸型，结合后冷却脱模；3)热处理并冷却得到复合耐磨件。本发明硬质合金预制体的制备方法简单，可批量生产，成品率高；进一步制备的复合耐磨件，硬度和耐磨性高，在工作时安全性更高，使用寿命更长。
文档编号B22D19/00GK103143708SQ20131007534
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者汤姝莉, 李烨飞, 高义民, 邢建东, 郑开宏 申请人:西安交通大学, 广州有色金属研究院