硬质合金球及其制备方法与流程

本发明涉及的是一种用于工业设备传输、转动、阀等机械中的部件，特别涉及的是一种硬质合金球及其制备方法。

背景技术：
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工业设备传输、转动、阀、研磨等广泛使用球。目前使用较普遍的有钢球、陶瓷球、整体硬质合金球。钢球靱性好，耐磨、耐腐蚀、耐温较差；陶瓷球轻、耐磨、耐腐蚀、自润滑，但性脆、抗压和冲击力差、热导差； 整体硬质合金球耐磨、耐腐蚀、耐高温、热胀系数低、抗压和抗冲击是陶瓷的2倍以上，但比重大12～15克/ 立方厘米，且价格髙，是钢材的百倍、陶瓷价格的3倍左右，严重制约了使用范围。由于比重大，动能高也受到使用限制。比如钢铁厂高速轧机传送，用整体硬质合金球太重传送不动，用陶瓷不耐冲击和高温，用钢球易高温退火不耐磨。医药、石化、印染钢球耐腐蚀差，陶瓷脆，易掉块，硬质合金太贵，比重大不能高速旋转。其它领域也同样遇到类似难以解决的技术问题。

技术实现要素：
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本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种耐磨、耐腐蚀、耐高温，可靠性高，安全，使用寿命长，使用范围广的硬质合金球。

本发明的另一个目的是为了提供一种硬质合金球的制备方法。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明硬质合金球，包括硬质合金球壳体、位于硬质合金球壳体内与硬质合金球壳体内壁复合的由异于硬质合金的材料制成的实心球体。

上述的实心球体由金属和/或金属氧化物和/或金属碳化物和/或非金属和/或非金属氧化物和/或非金属碳化物制成。

上述的实心球体采用石墨制成，或采用钨镍高比重合金制成。

上述的硬质合金球的密度为3～18克/立方厘米。

本发明硬质合金球的制备方法，包括以下步骤：

1）制备实心球体：选材，经1200～2300℃高温烧制成理化性能稳定，符合设计要求的实心球体，精加工至要求的尺寸；

2）在实心球体上附着一层熔点为20～600℃低熔点材料层，低熔点材料层的厚度相当于硬质合金球壳体高温烧结后的收缩量；

3）在实心球体上的低熔点材料层外附着硬质合金粉体并压实，达到硬质合金压坯质量标准，其厚度达到设计要求；

4）烧结：预烧或浸泡：在低熔点材料的低熔点20～600℃范围内低温熔化掉或在溶剂中浸泡掉实心球体上的低熔点材料层，然后进行烧结，溶剂可采用溶剂油（如汽油、四氢萘、煤油、碳氢溶剂油）或酒精等；

5）精磨加工。

本发明硬质合金球的制备方法，包括以下步骤：

1）制备实心球体：选材，经1200～2300℃高温烧制成理化性能稳定，符合设计要求的实心球体，精加工至要求的尺寸；

2）硬质合金球壳体采用两个硬质合金空心半球壳烧制成型，加工内壁至与实心球体配合的尺寸；

3）将实心球体嵌入两个硬质合金空心半球壳中，两个硬质合金空心半球壳合拢，适度加压、二次烧结，在硬质合金液相温度下使两个硬质合金空心半球壳烧结成一体，实现两个硬质合金空心半球壳同质烧结；

4）精磨加工。

本发明硬质合金球的制备方法，包括以下步骤：

1）制备实心球体：选择高于焊接温度的材料做成实心球体，精加工至要求的尺寸；

2）硬质合金球壳体采用两个硬质合金空心半球壳烧制成型，加工内壁至与实心球体配合的尺寸；

3）将实心球体嵌入两个硬质合金空心半球壳中，将两个硬质合金空心半球壳焊接成一体；

4）精磨加工。

本发明在硬质合金球壳体内壁复合有异于硬质合金材料制成的实心球体，紧密包裹成一个新型结构的硬质合金球，既保持了原整体硬质合金球耐磨、耐腐蚀、耐髙温的特性不变，又改变了它的比重（从原来的12～15克/ 立方厘米，扩展到3～18克/立方厘米），一方面減少了硬质合金使用量，大大降低了成本；另一方面比重的变化，本发明轻质硬质合金球可用于高速旋转；重质（密度17～18克/立方厘米）三耐（耐磨、耐腐蚀、耐高温）硬质合金球可以扩展到特殊用途。显然本发明硬质合金球提高了许多工业部件的使用的可靠性、安全性和寿命。本发明硬质合金球可以取代用钢球、陶瓷球、原硬质合金球的技术劣势，同时也使用户获得性价比更髙的优质产品。更重要的是解决了在特种需要的环境下用球的技术难题（如高速轧机）。

本发明的制备方法具有以下优点：

1、已有的整体硬质合金球都是同体同质，本发明方法制作的是同体不同质的硬质合金球；

2、本发明方法有效的解决了硬质合金球壳体高温烧结收缩空间。硬质合金球壳体烧结是一个收缩（变小）过程。从粉末成型到烧制，为硬质合金球壳体外层合金收缩设计了一个低温（600℃以下）材料层，这个低温材料层为硬质合金球壳体高温（1300～1550℃收缩留出了精准的时、空间；

3、包裹实心球体的二次烧结和焊接，在硬质合金领域仍然是首创。原理虽简单，但制作过程需要解决的问题仍然是一条劈荒开路的探索过程。

附图说明：

图1为本发明硬质合金球结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

参见图1，本实施例1直径为42.88mm的硬质合金球。包括yg8的硬质合金球壳体1、位于硬质合金球壳体1内的密度为1.89的石墨实心球体2。yg8硬质合金球壳体的厚度分别为2mm、3mm、4mm，石墨实心球体直径对应为38.88mm、36.88mm、34.88mm。制成后的硬质合金球重分别为224g、281g、331.5g。本实施例1中的硬质合金球重比已有的整体硬质合金球（整体硬质合金球材料选择yg8,密度为14.8，硬度HRA90，合金球重611g）。分别减少了387g、330g、280g，密度从原来的14.8分别降低到5.4、6.8、8.0。如果把球直径加大，心部低密度材料（如石墨）体积比増大，球的整体密度还可降低至3.0。表面硬度不变HRA90。这样的新型结构的球保持了高硬度、高耐磨、耐高温，密度从整体硬质合金高密度降到彽密度的轻质球。本实施例1硬质合金球适合高速、超高速旋转运用。

本实施例1直径为42.88mm硬质合金球的制备方法是：1）制备实心球体：先用石墨精密加工成39.88mm的球，在1500℃烧1小时左右，冷却取出测量尺寸和单重，其变化极小或不变情况下可采用，变化大可多次烧结，精加工至直径为38.88mm；2)做一个38.88×1.20 mm的卡孤式球形阴模，上面留注射孔，把石墨实心球体放在阴模中间，注入熔化的石腊，使其均匀包围石墨实心球体；3）冷却后取出，放入42.88x1.30（或比1.30更大）mm的球形阴模中间，注入yg8掺胶稀湿料，使其均匀包裏包覆有石腊的石墨实心球体，干燥冷却后取出等静压，等静压后的硬质合金压坯加工至43.88x1.2 mm；4）预烧至100℃使石腊层全部脱出（用重量控制），最后放入真空炉烧至1420℃，冷却后取出获得直径为43.88 mm的球；5）精磨后获得高精度的硬质合金球（轴承球）。

实施例2：

参见图1，本实施例2直径为42.88mm的硬质合金球。本发明的硬质合金球中的实心球体釆用金属陶瓷实心球体（碳氮化钛），实测密度7.2；硬质合金球壳体1采用yg8硬质合金材料制成。硬质合金球壳体厚度分别为2mm、3mm、4mm，陶瓷实心球体2直径分别为38.88mm、36.88mm、34.88mm。球重分别为376.91g、411.15g、441.98g；密度分别为9.13、9.96、10.70。与整体硬质合金球（整体硬质合金球材料选择yg8,密度14.8，硬度HRA90，球重611g）相比重量分别降低40%、33%、28%。密度分别降低了38%、33%、28%。球表面硬度保持HRA90。本实施例2为中等密度的硬质合金球。其优越的耐磨、耐腐蚀、耐高温使钢球无可比拟。

实施例3：

本实施例3直径为42.88mm的硬质合金球。硬质合金球中的实心球体釆用金属高温烧制后的钨镍实心球体，密度18.5。硬质合金球壳体1用2mm厚yg8硬质合金材料制成。钨镍实心球体直径为38.88 mm。球重为：724g，密度为17.5，本发明硬质合金球与整体硬质合金球（材料选择yg8,密度14.8，硬度HRA90,合金球重611g）相比，重量増加18.5%，密度増加18.2%。随球的直径増加，内心高比重成份増加密度还可大于17.5，甚至到18。本实施例3可获高硬度、高耐磨、耐温、耐腐蚀的髙比重硬质合金球。为特种用途増添了技术和产品储备。

实施例4：

参见图1，YN15(WC：Ni:CrC=84.4：15：0.6)直径为52mm的硬质合金球中的实心球体2用氧化锆陶瓷，硬质合金球壳体1用3mm厚的硬质合金制作。本实施例4的制备方法是：1）制作直径为46.0mm的氧化锆陶瓷实心球体，精度由用途定；2）在直径为46.0mm的氧化锆陶瓷实心球体注射一层46.0x1.2mm石腊层；3）其外再用注射、压制方法包裹一层yg15硬质合金，经等静压获得直径为53x1.2mm的三层球；4）预烧100℃，脱去石腊，放入真空炉中烧至1450℃冷却取出获直径为53.0mm的球；5）精磨后可获得高耐磨、耐腐蚀、耐温、抗强幅射的硬质合金球。在石化、医药、核工业可得到应用。

实施例5：

参见图1，本实施例5直径55mm的硬质合金球中有用yg20C的硬质合金（WC：Co:=80:20）WC为粗颗粒做制作厚度为4mm的硬质合金球壳1，用高纯石墨（抗压强度55MP）制作实心球体2。本实施例5的制备方法是：1）用高纯石墨做成直径为48mm的石墨实心球体坯，锻烧至1500℃，冷却测定理化性能稳定后精加工至直径为47mm，圆度0.5μm，直径公差1.0μm；2）放置在直径为47.00×1.2的圆形阴模中间，注入石腊；3）冷却后取出放入56×1.3 mm（或比1.3大）的球形阴模中间，注入yg20C的混合料，干燥后取出等静压，获得直径为56×1.2 mm的三层球压坯；4）100℃预烧脱腊1～6小时，最后放入真空炉中烧至1410℃，冷后获得直径为56mm的球；5）精密加工成直径55mm硬质合金球。表层硬度为HRA85，抗压强度2400N，重量为直径为561g，密度为6.44。获得高强度，高硬度、耐冲击轻质硬质合金球。其密度和陶瓷球相当，但使用性能远高于陶瓷球。

实施例6：

本实施例6用二次烧结法制作直径55mm的yg20c硬质金合球。硬质合金球壳体4mm厚，实心球体2采用高纯石墨制成。本实施例6的制备方法是：1）用高纯石墨加工成直径为47mm的球，负公差为2.5mm；2）用注射成形技术加工成外径56×1.24mm、内径为46×1.24mm的yg20c的两个硬质合金半球壳，经脱脂浸泡60小时，烧结7.5小时获外径56mm、内径46mm两个硬质合金半球壳；精加工内孔至直径47mm，公差十2.5mm；3）嵌入石墨实心球体，合扣两个yg20c硬质合金半球壳，在有圆孔的石墨板上固定硬质合金球方向，使上、下两个硬质合金半球壳垂直扣合，加压，并限位下移0.1mm真空烧结至1380℃；4）冷却精加工球面至直径55mm即得硬质合金球。 也可用焊接法制作直径为55mm的硬质合金球。同上，石墨实心球体嵌入两个硬质合金半球壳中不再二次烧结，而是用焊接方法焊在一起，制成硬质合金球。

从上述实施例可见，本发明硬质合金球保留了已有的整体硬质合金球的优良性能，其密度又可以调整，集三种球的优势为一体（整体硬质合金球、陶瓷球、钢球）。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的保护范围。