耐磨蚀硬质合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐磨蚀硬质合金及其制备方法，该主要由75～95wt％的碳化钨混合粉和5～25wt％的镍粉烧结制成，碳化钨混合粉包括常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉。常规碳化钨粉、铸造碳化钨粉和镍粉通过烧结得到耐磨蚀硬质合金。其中镍为粘结金属，具有较强的抗腐蚀性能，铸造碳化钨和常规碳化钨具有不同的共晶组织，三者共同烧结强化了粘结相的强度及改善晶间微观结构，提高合金的韧性和耐磨蚀性，更显著提高了合金的抗冲击能力，制备的合金其耐磨性、抗腐蚀性和抗冲击韧性得到极大的提高，实现了强度和显微硬度的良好匹配，从而使耐磨蚀硬质合金综合性能大大地提高。
【专利说明】
耐磨蚀硬质合金及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及硬质合金领域，特别地，涉及一种耐磨蚀硬质合金。此外，本发明还涉及一种包括上述耐磨蚀硬质合金的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着硬质合金工业的不断发展及深海工程步伐的加快，油气勘探向地质条件和物理环境更加复杂的区域发展，一些高H2S和CO2含量高含硫地质环境的区域已成为油气勘探的重点，深海用高强度材料的需求激增，而其失效寿命越来越受到关注。国内外钻井工程中腐蚀研究主要集中在C02、H2S和C02/H2S的腐蚀与防护方面，防腐蚀措施主要包括选材、控制钻井液、防腐层、电化学保护等，这些防腐措施都有一定的缺陷，不能从根本上解决问题。而含量相对较高的N1、Mo、Nb等元素的合金使得其耐腐蚀性能明显优于其它耐蚀合金，与其它耐蚀金属、非金属材料相比，它们在各种腐蚀环境中，具有较强的耐蚀破坏能力，并兼具有良好的力学性能及加工性能。
[0003]镍合金在我国已有较大的发展，特别在硬质合金中的镍基铸造碳化钨复合涂层应用方面取得很大进步;但采用碳化钨硬质相和镍粘结相的硬质合金制造方面，由于钨镍硬质合金的耐磨蚀性与韧性的相互矛盾关系未能调和，目前国内钨镍硬质合金都是采用牺牲合金的强度来换取其硬度，所以仅仅只能用于耐磨、耐蚀等密封件等方面，根本不能用于矿用开采上，大大制约了硬质合金的应用范围。提高钨镍硬质合金韧性而不损其耐磨蚀性能，使合金制品的耐磨蚀性和韧性高度有机统一具有重要的经济价值和科学意义。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种耐磨蚀硬质合金及其制备方法，以解决现有的硬质合金强度耐磨蚀性与韧性不能兼顾的技术问题。
[0005]本发明采用的技术方案如下:
[000?] 本发明一方面提供了一种耐磨蚀硬质合金，主要由75?95wt %的碳化妈混合粉和5?25wt %的镍粉烧结制成，碳化钨混合粉包括常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉。
[0007]进一步地，常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉的质量比为50?90:10?50，优选为60?80:20?40。
[0008]进一步地，常规碳化钨粉的费氏粒度为6.8?12.3μπι，铸造碳化钨粉的费氏粒度为2.0?5.8μπι，镍粉的费氏粒度为1.0?4.5μπι，优选地，常规碳化钨粉的费氏粒度为6.8?8.3μπι，铸造碳化钨粉的费氏粒度为2.0?3.80μπι，镍粉的费氏粒度为1.20?1.80μπι。
[0009]进一步地，碳化钨粉的碳量为6.12?6.17wt%，铸造碳化钨的碳量为3.2?5.68wt %，优选地，铸造碳化钨的碳量为4.2?5.18wt %。
[0010]进一步地，耐磨蚀硬质合金主要由87?94wt%的碳化妈混合粉和6?13wt%的镍粉烧结制成。
[0011]本发明另一方面提供了一种耐磨蚀硬质合金的制备方法，包括以下步骤:
[0012]根据耐磨蚀硬质合金的组成准备原料；
[0013]将碳化钨混合粉和镍粉混合配料，烧结得到耐磨蚀硬质合金。
[0014]进一步地，混合配料和烧结之间还依次包括湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型的步骤。
[0015]进一步地，湿磨的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨的时间为26?48小时。
[0016]进一步地，掺成形剂干燥的步骤为在湿磨后的粉体中掺入石蜡，加热至58?62°C并滚磨25?30分钟。
[0017]进一步地，烧结为真空低压一体化烧结，最高温度为1480?1640°C。
[0018]本发明具有以下有益效果:常规碳化钨粉、铸造碳化钨粉和镍粉通过烧结得到耐磨蚀硬质合金。其中镍为粘结金属，具有较强的抗腐蚀性能，铸造碳化钨和常规碳化钨具有不同的共晶组织，三者共同烧结强化了粘结相的强度及改善晶间微观结构，提高合金的韧性和耐磨蚀性，更显著提高了合金的抗冲击能力，制备的合金其耐磨性、抗腐蚀性和抗冲击韧性得到极大的提高，实现了强度和显微硬度的良好匹配，从而使耐磨蚀硬质合金综合性能大大地提尚。
[0019]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
【具体实施方式】
[0020]以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0021]本发明的优选实施例提供了本发明一方面提供了一种耐磨蚀硬质合金，主要由75?95wt %的碳化钨混合粉和5?25wt %的镍粉烧结制成，碳化钨混合粉包括常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉。
[0022]常规碳化钨粉即为一般的碳化钨粉，区别于铸造碳化钨。常规碳化钨粉为市售碳化钨粉也可自制。常规碳化钨的晶体结构为WC，其具有晶完整、缺陷少、微观应变小的优点。
[0023]铸造碳化钨为W2C和WC共晶组织，经过1600?2000°C的高温预烧后，杂质少，化学性能稳定，内部组织为细等轴树枝状，结构均匀致密。烧结后无过共晶和亚共晶组织，显微硬度高。铸造碳化钨具有高硬度、良好的耐磨性等特点，加之粘结金属镍的加入，使其对C1_、H2S具有较好的抵御能力，成为一种优异的深海石油钻采装备材料。镍粉作为粘结金属。其中，75?95wt%的碳化钨混合粉和5?25wt%的镍粉。常规碳化钨粉、铸造碳化钨粉和镍粉三者共同烧结强化了粘结相的强度及改善晶间微观结构，提高合金的韧性和耐磨蚀性，更显著提高了合金的抗冲击能力，制备的合金其耐磨性和抗冲击韧性得到极大的提高，抗弯强度和硬度性能优异，实现了强度和显微硬度的良好匹配，从而使合金综合性能大大地提高。本发明的耐磨蚀硬质合金能有效地提高机械零件的耐磨性、耐腐蚀性和韧性，延长使用寿命，在深海石油钻采，海洋装备，地质，矿山，工程机械和航空航天领域具有广阔的应用前景。
[0024]本发明具有以下有益效果:常规碳化钨粉、铸造碳化钨粉和镍粉通过烧结得到耐磨蚀硬质合金。其中镍为粘结金属，具有较强的抗腐蚀性能，铸造碳化钨和常规碳化钨具有不同的共晶组织，三者共同烧结强化了粘结相的强度及改善晶间微观结构，提高合金的韧性和耐磨蚀性，更显著提高了合金的抗冲击能力，制备的合金其耐磨性、抗腐蚀性和抗冲击韧性得到极大的提高，实现了强度和显微硬度的良好匹配，从而使耐磨蚀硬质合金综合性能大大地提尚。
[0025]可选地，常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉的质量比为50?90:10?50。通过调节二者的质量缓冲硬质合金抗弯强度与硬度难以兼得的矛盾关系，因为过多地加入铸造碳化钨粉虽能提高合金的硬度，但不利于制造过程中碳量的控制，而且脆性W2C会极大地降低合金的抗弯强度。常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉的质量比为50?90:10?50，在该比例下耐磨蚀硬质合金的耐磨性和冲击韧性等综合性能得到了较好的统一，从而有益于延长硬质合金的使用寿命及提高使用效率。优选地，常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉的质量比为60?80: 20?40 ο
[0026]可选地，常规碳化钨粉的费氏粒度为6.8?12.3μπι，铸造碳化钨粉的费氏粒度为2.0?5.8μπι，镍粉的费氏粒度为1.0?4.5μπι。费氏粒度即Fsss粒度。选择上述不同粒度的常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉，可使耐磨蚀硬质合金具有双峰非均匀晶粒结构，达到均衡兼具合金的高韧性、高耐磨性和强耐腐蚀性，从而优于普通均匀晶粒结构的硬质合金。
[0027]可选地，碳化钨粉的碳量为6.12?6.17wt%，铸造碳化钨的碳量为3.2?5.68wt%。选择上述碳量的常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉具有利于制造过程中碳量的精准控制及合金的碳量平衡。
[0028]可选地，耐磨蚀硬质合金主要由87?94wt%的碳化钨混合粉和6?13wt%的镍粉烧结制成。
[0029]本发明另一方面提供了一种耐磨蚀硬质合金的制备方法，包括以下步骤:
[0030]根据耐磨蚀硬质合金的组成准备原料；
[0031]将碳化钨混合粉和镍粉混合配料，烧结得到耐磨蚀硬质合金。
[0032]耐磨蚀硬质合金的制备方法可按照常规的制备方法制备，如原料仅包含碳化钨和镍粉的耐磨蚀硬质合金的制备方法制备。
[0033]可选地，混合配料和烧结之间还依次包括湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型的步骤。
[0034]可选地，湿磨的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨的时间为26?48小时。湿磨可使常规碳化钨粉、铸造碳化钨粉和镍粉混合均匀。同时合适的球料比，固液比，湿磨时间能有效地降低合金组织结构的孔隙度，对合金的抗弯强度具有明显的有益效果。
[0035]可选地，掺成形剂干燥的步骤为在湿磨后的粉体中掺入石蜡，加热至58?62°C并滚磨25?30分钟。该条件使得成形剂石蜡充分并且均匀地分布于混合料之中，有利于压坯的压制成型及后续烧结过程中成形剂石蜡充分地脱除。
[0036]可选地，烧结为真空低压一体化烧结，最高温度为1480?1640 °C。适宜的烧结温度也是对硬质合金产品的韧性、耐磨性具有决定性的作用之一。因为烧结最高温度过高会使产品过烧，则产品脆性大，烧结最高温度过低则产品欠烧，孔隙多，产品不耐磨。
[0037]常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉分别购自株洲硬质合金集团、自贡硬质合金有限公司、崇义章源硬质合金有限公司等厂家。
[0038]实施例1
[0039]—种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0040]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉和碳化钨混合粉的质量之比为5:95。碳化妈混合粉中，碳化妈混合粉选用Fsss粒度6.8μηι的常规碳化妈粉及Fsss粒度2.Ομπι的铸造碳化钨粉按质量之比为50: 50混合。常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.12wt %，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)3.2wt %。镍粉的粒度为I.2 5μπι。
[0041 ] 湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨时间为26小时。湿磨后掺入石蜡加热料浆至58°C并滚磨25分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为1640 °C。
[0042]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为2800MPa、平均硬度为HRA90.6，耐腐蚀性能极好。
[0043]实施例2
[0044]—种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0045]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉与碳化钨混合粉的质量之比为8:92。碳化钨混合粉中，碳化钨混合粉选用Fsss粒度7.8μπι常规碳化钨粉及Fsss粒度3.2μπι的铸造碳化钨粉按质量之比为70:30混合。常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.15wt%，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)4.5wt % ;镍粉的粒度为I.45μπι。
[0046]湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨时间为36小时，湿磨后掺入石蜡加热料浆至60°C并滚磨26分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为1620°C。
[0047]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为3000MPa、平均硬度为HRA89.1，耐腐蚀性能好。
[0048]实施例3
[0049]—种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0050]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉与碳化钨混合粉的质量之比为10:90，碳化钨混合粉选用Fsss粒度为8.6μπι常规碳化钨粉及Fsss粒度4.0ym的铸造碳化钨粉按质量之比为70:30，常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.14wt %，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)5.0wt % ;镍粉的粒度为1.45μπι。
[0051 ] 湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨时间为30小时，湿磨后掺入石蜡加热料浆至61°C并滚磨27分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为1600°C。
[0052]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为3100MPa、平均硬度为HRA88.5，耐腐蚀性能极好。
[0053]实施例4
[0054]一种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0055]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉与碳化钨混合粉的质量之比为13:87，碳化钨混合粉选用Fsss粒度9.6μπι的常规碳化钨粉及Fsss粒度4.5μπι的铸造碳化钨粉按质量之比为80: 20混合，常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.17wt%，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)5.18wt%；镍粉的粒度为I.45μπι。
[0056]湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨时间为40小时。湿磨后掺入石蜡加热料浆至62°C并滚磨29分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为15600C。
[0057]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为3200MPa、平均硬度为HRA87.3，耐腐蚀性能极好。
[0058]实施例5
[0059]—种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0060]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉与碳化钨混合粉的质量之比为6:94，碳化钨混合粉选用Fsss粒度10.2μπι常规碳化钨粉及Fsss粒度4.8μπι的铸造碳化钨粉按质量之比为60: 40混合。常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.15wt %，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)4.2wt % ;镍粉的粒度为1.8μηι。
[0061 ] 湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，湿磨时间为32小时，湿磨后掺入石蜡加热料浆至62°C并滚磨30分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为1600°C。
[0062]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为3000MPa、平均硬度为HRA90.5耐腐蚀性能好。
[0063]实施例6
[0064]—种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0065]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉与碳化钨混合粉的质量之比为15:85。碳化妈混合粉中，碳化妈混合粉选用Fsss粒度11.4μηι常规碳化妈粉及Fsss粒度5.4μηι的铸造碳化钨粉按质量之比为85: 15混合。常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.13wt %，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)5.5wt % ;镍粉的粒度为I.6μπι。
[0066]湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为
4.2:1，湿磨时间为44小时，湿磨后掺入石蜡加热料浆至59°C并滚磨28分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为15200C。
[0067]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为2850MPa、平均硬度为HRA85.8，耐腐蚀性能好。
[0068]实施例7
[0069]—种耐磨蚀硬质合金的制备方法，其包括如下工艺步骤:配料、湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型和真空低压一体化烧结。
[0070]配料时选用镍粉和碳化钨混合粉，镍粉与碳化钨混合粉的质量之比为25:75。碳化钨混合粉中，碳化钨混合粉选用Fsss粒度12.3μπι常规碳化钨粉及Fsss粒度8.3μπι的铸造碳化钨粉按质量之比为90:10混合。常规碳化钨粉的碳量(总碳)6.17wt%，铸造碳化钨粉的碳量(总碳)5.68被％;镍粉的粒度为1.84111。
[0071 ] 湿磨为球磨，湿磨时的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为
4.2:1，湿磨时间为48小时，湿磨后掺入石蜡加热料浆至60°C并滚磨29分钟。再经干燥、制粒、压制成型、真空低压一体化烧结，真空低压一体化烧结的最高温度为1480°C。
[0072]将通过本实施例得到的耐磨蚀硬质合金(成型尺寸为6.5 X 5.25 X 20μπι的标准产品)样本100件进行检测，得到平均抗弯强度为2600MPa、平均硬度为HRA83.6，耐腐蚀性能好。
[0073]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种耐磨蚀硬质合金，其特征在于，主要由75?95wt %的碳化妈混合粉和5?25wt %的镍粉烧结制成，所述碳化钨混合粉包括常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉。2.根据权利要求1所述的耐磨蚀硬质合金，其特征在于，所述常规碳化钨粉和铸造碳化钨粉的质量比为50?90:10?50，优选为60?80:20?40。3.根据权利要求1所述的耐磨蚀硬质合金，其特征在于，所述常规碳化钨粉的费氏粒度为6.8?12.3μπι，所述铸造碳化钨粉的费氏粒度为2.0?5.8μπι，所述镍粉的费氏粒度为1.0?4.5μπι，优选地，所述常规碳化钨粉的费氏粒度为6.8?8.3μπι，所述铸造碳化钨粉的费氏粒度为2.0?3.80μπι，所述镍粉的费氏粒度为1.20?1.80μπι。4.根据权利要求1所述的耐磨蚀硬质合金，其特征在于，所述常规碳化钨粉的碳量为6.12?6.17wt %，所述铸造碳化钨的碳量为3.2?5.68wt %，优选地，所述铸造碳化钨的碳量为 4.2 ?5.18wt%。5.根据权利要求1?4中任一项所述的耐磨蚀硬质合金，其特征在于，所述耐磨蚀硬质合金主要由87?94wt%的碳化妈混合粉和6?13wt%的镍粉烧结制成。6.一种如权利要求1?5中任一项所述的耐磨蚀硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 根据权利要求1?5中任一项的耐磨蚀硬质合金的组成准备原料； 将碳化钨混合粉和镍粉混合配料，烧结得到所述耐磨蚀硬质合金。7.根据权利要求6所述的耐磨蚀硬质合金的制备方法，其特征在于，所述混合配料和所述烧结之间还依次包括湿磨、掺成形剂干燥、制粒、压制成型的步骤。8.根据权利要求7所述的耐磨蚀硬质合金的制备方法，其特征在于，所述湿磨的球磨介质为丙酮和正已烷，球料之比为3.3:1，固液之比为4.2:1，所述湿磨的时间为26?48小时。9.根据权利要求7所述的耐磨蚀硬质合金的制备方法，其特征在于，所述掺成形剂干燥的步骤为在湿磨后的粉体中掺入石蜡，加热至58?62°C并滚磨25?30分钟。10.根据权利要求7所述的耐磨蚀硬质合金的制备方法，其特征在于，所述烧结为真空低压一体化烧结，最高温度为1480?1640 °C。
【文档编号】C22C1/05GK105970062SQ201610331571
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】肖华, 单水桃
【申请人】湖南世纪钨材股份有限公司