一种钢结硬质合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种由10～50%的TiC硬质相和Fe?Cr?Mo?Al?C粘结相组成的钢结硬质合金，粘结相中各元素占比分别为：C 0.25～0.69%，Cr 0.5～4.5%，Mo 0.5～4.5%，Al 0.25～3.6%，余量为Fe；其制备包括：配料，选取占原料粉末总重10～50%的TiC粉末，余量为C粉、Mo粉、Fe2Al5预合金粉末、Cr?Fe粉末（其中Cr含量为50～55%）和Fe粉；以下元素分别占原料粉末总重：C 0.25～0.69，Cr 0.5～4.5，Mo 0.5～4.5，Al 0.25～3.6%，余量为Fe；将上述原料粉末湿磨混合、喷雾干燥、压制成型；经1415～1435℃真空液相烧结获得粘结相占总重50%～90%的钢结硬质合金，硬度及断裂韧性都具有改善，主要用于耐磨产品。
【专利说明】
一种钢结硬质合金及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种钢结硬质合金材料及其制备方法，特别是一种通过粉末冶金技术 制备以Tic为硬质相、以Fe基体粘结相的钢结硬质合金及其制备方法，其主要用于工模具耐 磨件产品上。
【背景技术】
[0002] 钢结硬质合金是在硬质合金的基础上发展起来的新型工模具材料。相比硬质合金 中的钴粘结相来说，它是一种以钢作粘结相的耐磨合金。因其具有硬质合金的高硬度、高耐 磨性和高强度，同时具有钢的可加工性、可热处理性、可锻性和可焊接性，被认为是可加工、 可热处理的硬质合金，广泛地应用于耐磨零件、矿山工具等材料中。钢结硬质合金中最典型 材料是以TiC作为硬质相的TiC基钢结硬质合金，因 TiC具有高硬度、抗氧化、耐腐蚀、比重 小、热稳定性好以及优异的物理化学性能，一直是钢结硬质合金中性价比较高的一种钢结 硬质合金。
[0003] TiC基钢结硬质合金是采用粉末冶金的方法制备的一种复合材料。硬质相TiC主要 赋予材料高硬度和高耐磨性;而钢粘结相的含量一般大于50wt %，对材料的性能影响更大， 同时，钢粘结相可以赋予合金一系列独特性能，其成分可根据具体使用工况和使用性能要 求进行灵活的调整，有利于满足合金使用要求。根据钢粘结相的成分的不同，可以延伸出大 量的合金牌号，如碳钢、工具钢、不锈钢、耐热钢基粘结相。
[0004] 目前TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金是一种以中合金工具钢为粘结相的钢结硬 质合金，如GT35牌号，其具有较高的耐磨性，被广泛地应用于耐磨零件上。随着特殊行业对 零部件性能的要求的多样化，如应用于注塑机套筒和螺杆(注塑机的关键部件)上，不仅需 要好的耐磨性，还需要合金具有较好的抗腐蚀性能、韧性等性能。而普通的钢结硬质合金牌 号很难很好地满足使用要求。为了改善这类合金的这些性能而获得高硬度和高强度的TiC 系钢结硬质合金，现有技术方案主要是通过调整主成分的比例、微量合金元素的加量和加 入方式以及改善烧结接触材料来达到。如中国专利"一种TiC系钢结硬质合金"（公开号 CN104498801A【公开日】2015年4月8日）公开了一种TiC系钢结硬质合金，在确保高硬度、高耐 磨性的同时，抗弯强度高，耐腐蚀好，不易生锈。又如中国授权专利"TiC系钢结硬质合金及 其制备方法"（授权号CN 102230119 B【公开日】2012年12月26日）公开了一种TiC系钢结硬质 合金及其制备方法提供耐磨性高、变形小的TiC系钢结硬质合金及其制备方法，扩大该类合 金的应用领域，并进一步降低孔隙度，提高其综合性能。
[0005] 对于硬质材料来说，硬度和断裂韧性是一对矛盾体，改善硬度往往需要牺牲一定 的断裂韧性，反之亦然。为了改善TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金的性能，以上专利的方法 都是通过调整合金中Cr、Mo等元素的含量和加入方式；或者添加改善铁对TiC润湿性的元 素，如稀土，来改善TiC-(Fe-Cr-Mo-C)钢结硬质合金的致密度来达到提高合金的性能的目 的。总的来说，这些措施往往很难同时提高TiC-(Fe-Cr-M 〇-C)钢结硬质合金的硬度和断裂 初性，或者提尚幅度很有限。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有TiC基钢结硬质合金模具的性能的不足，提供了一种以TiC为硬质 相、Fe-Cr-M〇-Al_C为基体粘结相的钢结硬质合金及其制备方法，其中A1是米用Fe_Al的中 间化合物Fe 2Al5预合金粉末的形式添加，该合金在硬度及断裂韧性方面都具有改善。其主要 用于工模具耐磨件产品上。
[0007] 本发明的一种钢结硬质合金，由硬质相和粘结相组成，硬质相为TiC，占钢结硬质 合金总重的10~50%;所述粘结相为(：、0、1〇^1与？〇的组合，(：、0、1〇)1元素分别占钢结 硬质合金总重的百分比为：C:0.25~0.69%，Cr:0.5~4.5%，Μ〇:0·5~4.5%，Α1:0·25~ 3.6%;余量为Fe。
[0008] 其制备方法依次包括以下步骤：
[0009] (1)配料，选取形成硬质相的、占总原料粉末总重的10~5 0 %的T i C粉末，余量由C 粉、Mo粉、Fe2Al5预合金粉末、Cr-Fe粉末和Fe粉组成粘结相原料粉末;所述Cr-Fe粉末中Cr的 质量百分含量为50~55% ;所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、A1元素分别占总原料粉末总 重的百分比为:C:0.25~0.69%，Cr :0.5~4.5%，Mo:0.5~4.5%，A1:0.25~3.6% ;余量为 Fe；
[0010] (2)将上述形成硬质相与形成粘结相的原料粉末湿磨混合、喷雾干燥、压制成型形 成压坯；
[0011] (3)然后压坯经1415Γ~1435Γ真空液相烧结后，获得一种钢结硬质合金，其中粘 结相占钢结硬质合金总重的重量百分比为50%~90%。
[0012]作为改进一，当硬质相TiC占钢结硬质合金总重的50%;所述(：、&』〇^1元素分别 占钢结硬质合金总重的百分比为:C:0.25~0.385%，Cr:0.5~2.5%，Mo:0.5~2.5%，A1: 0.25~2.0%;余量为Fe。
[0013] 相应地，其制备方法中，配料时TiC粉末占总原料粉末总重为50%，Cr-Fe粉末中Cr 的质量百分含量为50~55 % ;粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、A1元素分别占总原料粉末总重 的百分比为：C:0.25~0.385%，Cr:0.5~2.5%，Mo:0.5~2.5%，A1:0.25~2.0% ;余量为 Fe;烧结温度为1425~1435°C;获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为50%。
[0014] 作为改进二，当硬质相TiC占钢结硬质合金总重的30%;(：、0、1〇^1元素分别占钢 结硬质合金总重的百分比为 :(：:0.35~0.441%，0:0.7~3.5%，]\1〇:0.7~3.5%41 :0.35 ~2.8%;余量为Fe。
[0015] 相应地，其制备方法中，配料时TiC粉末占总原料粉末总重为30%，Cr-Fe粉末中Cr 的质量百分含量为53~55 % ;粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、A1元素分别占总原料粉末总重 的百分比为：C:0.35~0.441 %，Cr:0.7~3.5%，Mo:0.7~3.5%，A1:0.35~2.8% ;余量为 Fe;烧结温度为1420~1430°C;获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为70%。
[0016] 作为改进三，当硬质相TiC占钢结硬质合金总重的10%;所述(：、&、1〇^1元素分别 占钢结硬质合金总重的百分比为:C:0.45~0.693%，Cr:0.9~4.5%，Mo:0.9~4.5%，A1: 0.45~3.6%;余量为Fe。
[0017] 相应地，其制备方法中，配料时TiC粉末占总原料粉末总重为10%，Cr_Fe粉末中Cr 的质量百分含量为50~54.9% ;粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总 重的百分比为:C:0.45~0.693%，Cr:0.9~4.5%，Μ〇:0·9~4.5%，Α1:0·45~3.6% ;余量 为Fe;烧结温度为1410~1425°C;获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为90%。
[0018] 本发明的特征是采用粉末冶金制造，形成了 Fe-Cr-Mo-Al-C的粘结相成分，粘结相 中的A1采用Fe-Al的中间化合物Fe2Al5预合金粉末的形式添加，避免了 A1与Fe发生剧烈化合 放热反应及柯肯达尔效应引起的膨胀，从能谱分析结果，可知A1都固溶在粘结相中，A1的添 加有效地改善了合金的硬度和韧性，较现有材质(TiC-Fe-Cr-Mo-C)的断裂韧性和硬度都得 到提尚。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的制备方法流程图；
[0020] 图2a是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的显微组织；
[0021 ]图2b是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的粘结相能谱照片；
[0022]图3a是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的断裂韧性与现有材质对 比图；
[0023]图3b是本发明制备的TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金的硬度与现有材质对比 图。
【具体实施方式】
[0024]实施例1:根据图1所示流程，按照混合原料粉末的重量百分比，将50%TiC、0.25% C 粉、0.91%Cr-Fe 粉末(折合 0.5%0)、0.5%]?〇粉、0.46%?6：^15粉(折合0.25%八1)、及余量 的Fe粉，混合湿磨，湿磨混合料经喷雾干燥、压制成型，然后压坯经1435Γ真空液相烧结后 获得TiC-Fe-Cr-Mo-Al-C钢结硬质合金，其中粘结相重量百分比为50%。其具体制备参数见 表1，其显微组织、粘结相能谱照片、断裂韧性、硬度分别见图2a、图2b、图3a、图3b。
[0025] 实施例2:根据图1所示流程，按照混合原料粉末的重量百分比，将50 %TiC、 0.315%C粉、2.83%Cr-Fe 粉末（折合1.5%Cr)、1.5%Mo 粉、2.06%Fe2Al5 粉（折合1.13% A1)、及余量的Fe粉，混合湿磨，湿磨混合料经喷雾干燥、压制成型，然后压坯经1430°C真空 液相烧结后获得!1(：4 6-(>-1〇41-(：钢结硬质合金，其中粘结相重量百分比为50%。其具体 制备参数见表1，其显微组织、粘结相能谱照片、断裂韧性、硬度分别见图2a、图2b、图3a、图 3b 〇
[0026] 本发明的实施例3~9的制备工艺流程如图1所示，其具体工艺参数详见表1，与现 有技术方案相比，本申请的方案制备的钢结硬质合金的硬度和断裂韧性明显提高(淬火+回 火态）。
[0027]表1本发明的制备参数表
[0029]虽然说明书已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围 的情况下，可以对其进行各种改进。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落 入权利要求的范围内的所有技术方案。
【主权项】
1. 一种钢结硬质合金，由硬质相和粘结相组成，硬质相为TiC，占钢结硬质合金总重的 10~50%;所述粘结相为(：、0、1〇^1与？6的组合，(：、0、1〇)1元素分别占钢结硬质合金总 重的百分比为:C:0.25~0.69%，Cr :0.5~4.5%，Mo:0.5~4.5%，A1:0.25~3.6% ;余量为 Fe〇2. 根据权利要求1所述的钢结硬质合金，其特征在于:所述硬质相TiC占钢结硬质合金 总重的50% ;所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C:0.25~ 0.385%，Cr:0.5~2.5%，Μ〇:0·5~2.5%，Α1:0·25~2.0% ;余量为Fe。3. 根据权利要求1所述的钢结硬质合金，其特征在于:所述硬质相TiC占钢结硬质合金 总重的30% ;所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C:0.35~ 0.441%，Cr:0.7~3.5%，Μ〇:0·7~3.5%，Α1:0·35~2.8% ;余量为Fe。4. 根据权利要求1所述的钢结硬质合金，其特征在于:所述硬质相TiC占钢结硬质合金 总重的10% ;所述C、Cr、Mo、Al元素分别占钢结硬质合金总重的百分比为：C:0.45~ 0.693%，Cr:0.9~4.5%，Μ〇:0·9~4.5%，Α1:0·45~3.6% ;余量为Fe。5. 根据权利要求1所述的钢结硬质合金的制备方法，依次包括以下步骤： (1) 配料:选取形成硬质相的、占总原料粉末总重的10~50 %的TiC粉末，余量由C粉、Mo 粉、Fe2Al5预合金粉末、Cr-Fe粉末和Fe粉组成粘结相原料粉末;所述Cr-Fe粉末中Cr的质量 百分含量为50~55%;所述粘结相原料粉末中，C、Cr、Mo、Al元素分别占总原料粉末总重的 百分比为：C:0.25~0.69%，Cr:0.5~4.5%，Μ〇:0·5~4.5%，Α1:0·25~3.6% ;余量为Fe; (2) 将上述形成硬质相与形成粘结相的原料粉末湿磨混合、喷雾干燥、压制成型形成压 坯； (3) 然后压坯经1415Γ~1435Γ真空液相烧结后，获得一种钢结硬质合金，其中粘结相 占钢结硬质合金总重的重量百分比为50%~90%。6. 根据权利要求5所述的钢结硬质合金的制备方法，其特征在于:所述配料中TiC粉末 占总原料粉末总重为50%，所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50~55% ;所述粘结相原 料粉末中，C、Cr、Mo、A1元素分别占总原料粉末总重的百分比为:C: 0.25~0.385%，Cr: 0.5 ~2·5%，Mo:0·5~2·5%，A1:0·25~2·0% ;余量为Fe;所述烧结温度为1425~1435°C ;获得 的结硬质合金中粘结相的重量百分比为50%。7. 根据权利要求5所述的钢结硬质合金的制备方法，其特征在于:所述配料中TiC粉末 占总原料粉末总重为30%，所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为53~55% ;所述粘结相原 料粉末中，C、Cr、Mo、A1元素分别占总原料粉末总重的百分比为:C: 0.35~0.441 %，Cr: 0.7 ~3·5%，Mo:0·7~3·5%，A1:0·35~2·8% ;余量为Fe;所述烧结温度为1420~1430°C ;获得 的结硬质合金中粘结相的重量百分比为70%。8. 根据权利要求5所述的钢结硬质合金的制备方法，其特征在于:所述配料中TiC粉末 占总原料粉末总重为10%，所述Cr-Fe粉末中Cr的质量百分含量为50~54.9% ;所述粘结相 原料粉末中，C、Cr、Mo、A1元素分别占总原料粉末总重的百分比为：C: 0.45~0.693%，Cr: 0.9~4.5%，]?〇:0.9~4.5%41:0.45~3.6%;余量为卩6 ;所述烧结温度为1410~1425°(：; 获得的结硬质合金中粘结相的重量百分比为90%。
【文档编号】C22C38/12GK105970064SQ201610081245
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年2月4日
【发明人】龙坚战, 陆必志, 夏艳萍, 谢英
【申请人】株洲硬质合金集团有限公司