一种钢结硬质合金及其制备方法

摘要

一种钢结硬质合金，以WC为硬质相，Fe为粘结相，合金中各组分的重量百分配比为：WC 40‑80%、Fe 15%‑55%、Cr3C2 0.5%‑4%、炭黑0.1%‑0.5%和WB 0.5%‑5%。其制备方法包括配料‑湿磨‑喷雾干燥‑压制成型‑烧结‑热处理等。制得的硬质合金孔隙率低，具有优异的耐磨耐蚀耐冲击高强韧的特点，抗弯强度可达4000N/mm2以上，在某些使用领域超过同样粘结相含量硬质合金的10%‑30%。本发明的合金所需的原材料性价比高，制备方法满足工业批量生产要求，大大拓展了钢结硬质合金的应用范畴，可以在模具材料、耐磨零件及矿山工具等对耐磨性和韧性要求都较高的工业领域使用。

权利要求

1.一种钢结硬质合金，其特征在于，以WC为硬质相，Fe为粘结相，合金由以下重量百分配比的组分构成：WC 40-80%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0.5%-4%、炭黑0.1%-0.5%和WB 0.5%-5%；

该钢结硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按照钢结硬质合金的重量百分比，分别称取WC 40-80%、炭黑0.1%-0.5%、Fe 

15%-55%、Cr3C2 0.5%-4%和WB 0.5%-5%，备用；

步骤二、将步骤一称取的物料加入到球磨机中，按照（2-5）:1的球料比，以无水乙醇作为研磨介质，石蜡作为成型剂，进行球磨20-50h；

步骤三、对步骤二球磨后的物料进行喷雾干燥，制得混合粉料，之后，将所得混合粉料放入压料机中，在50MPa-300MPa的压力下压制成坯体，备用；

步骤四、将步骤三制得的坯体转置于烧结炉内，于1200-1500℃温度下进行烧结30-

120min，之后冷却，得到合金坯体，备用；

步骤五、将步骤四制得的合金坯体置于真空环境下进行800-1200℃淬火和100-500℃回火，即得钢结硬质合金。

2.根据权利要求1所述的一种钢结硬质合金，其特征在于：所述WC的粒度为0.2-30μm。

3.根据权利要求1所述的一种钢结硬质合金，其特征在于：在步骤二中，所用的球磨机为可倾式球磨机。

4.根据权利要求1所述的一种钢结硬质合金，其特征在于：在步骤二中，所述石蜡的添加量为步骤一所称取物料总质量的1%-4%。

5.根据权利要求1所述的一种钢结硬质合金，其特征在于：在步骤三中，所述喷雾干燥的温度为160℃-240℃。

说明书

一种钢结硬质合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及粉末冶金技术领域，具体的说是一种钢结硬质合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 钢结硬质合金是一种介于硬质合金和钢之间的材料，通常采用传统粉末冶金的方法制备。作为一种交叉材料，它综合了钢和硬质合金的性能，填补了它们之间的空白使用领域。与传统硬质合金相比，钢结硬质合金具备钢材的特征，具有可锻性、可加工性、可热处理性，上述特性使得钢结硬质合金产品可以广泛应用到模具材料、耐磨零件及矿山工具等领域。

[0003] 现有的高耐磨性、高硬度的硬质合金大多采用WC和Co作为原材料。而钴作为一种战略资源和稀有金属，其供给基本靠进口，且储量有限，在价格上也较为昂贵。因此，寻找一种可替代Co的粘结相金属一直是硬质合金材料研究的热点问题。在现有的研究中，Fe和Ni是研究的较多并成功应用的粘结相金属，但是由于Fe的润湿性较差，造成其作为粘结相的硬质合金制品往往存在孔隙，导致强度不足的情况。

[0004] 因此，如何通过改善组织特性，制备一种耐磨性、强度和韧性都较好的钢结硬质合金，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明通过添加改善组织合金性能的WB和辅以优化的热处理工艺，得到高耐磨性与高强韧于一体的钢结硬质合金材料，改变了传统钢结硬质合金强度低、应用领域窄的状况。

[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种钢结硬质合金，以WC为硬质相，Fe为粘结相，合金中包括以下重量百分配比的组分：WC 40-80%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0.5%-4%、炭黑0.1%-0.5%和WB 0.5%-5%。

[0007] 所述WC的粒度为0.2-30μm。

[0008] 一种钢结硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一、按照钢结硬质合金的重量百分比，分别称取WC 40-80%、炭黑0.1%-0.5%、Fe 15%-55%、Cr3C2 0.5%-4%和WB 0.5%-5%，备用；

[0010] 步骤二、将步骤一称取的物料加入到球磨机中，按照（2-5）:1的球料比，以无水乙醇作为研磨介质，石蜡作为成型剂，进行球磨20-50h；

[0011] 步骤三、对步骤二球磨后的物料进行喷雾干燥，制得混合粉料，之后，将所得混合粉料放入压料机中，在50MPa-300MPa的压力下压制成坯体，备用；

[0012] 步骤四、将步骤三制得的坯体转置于烧结炉内，于1200-1500℃温度下进行烧结30-120min，之后冷却，得到合金坯体，备用；

[0013] 步骤五、将步骤四制得的合金坯体置于真空环境下进行800-1200℃淬火和100-500℃回火，即得钢结硬质合金。

[0014] 在步骤二中，所用的球磨机为可倾式球磨机。

[0015] 在步骤二中，所述石蜡的添加量为步骤一所称取物料总质量的1%-4%。

[0016] 在步骤三中，所述喷雾干燥的温度为160℃-240℃。

[0017] 有益效果：

[0018] 1、本发明在原料的球磨混合步骤中，以高强度、长时间的球磨工艺使各原料得到充分混合的同时，也将原料中的WC进行了一定程度的活化，保证了硬质相WC在后续的烧结步骤中能够与其他组分进行充分融合，提高成品硬质合金的均一性和强韧性；选择无水乙醇作为研磨介质能够有效避免球磨过程中的增氧；喷雾干燥步骤中相对密闭的干燥环境系统，确保了混合料粉末的洁净度；高温烧结步骤为实现合金致密化、消除微观孔隙提供了保障，高温淬火使合金组织硬度和强度提高，低温回火使合金组织更均匀，消除应力。

[0019] 2、本发明制备的钢结硬质合金以WC为硬质相，Fe作为粘结相，通过添加改善合金硬度和韧性的WB，按照传统硬质合金生产工艺，并辅以优异的热处理工艺，经800-1200℃高温淬火和100-500℃低温回火，提高了合金制品的硬度。制得了一种钢结合金材料。该材料归属于硬质合金和钢材的交叉领域，产品孔隙率为A02B00C00，经过热处理后与同粘结相下的产品硬度相比达到甚至超过硬质合金水平，同时抗弯强度可达4000 N/mm2以上，在某些使用领域超过同样粘结相含量硬质合金的10%-30%，实现了高硬度、高耐磨性和高强韧性的统一。另外，采用Fe作为粘结相，性价比高，一方面减少了Co这种战略资源的耗费，降低了生产成本；另一方面也为终端用户提供了增值服务。方法本身工艺简单，过程控制简便，制备的硬质金属合金可广泛应用于模具材料、耐磨零件及矿山工具等对耐磨性和韧性要求都较高的工业领域。

[0020] 3、本发明的硬质合金所采用的添加剂WB在合金组织中作为一种硬质相而存在，它的添加能够提高钢结合金的硬度，其在烧结过程可与基体固溶形成立方相，改善组织性能，通过热处理工艺使基体组织性能进一步强化和均匀化，实现硬度和强度的双重提高，与不添加此添加剂的硬质合金对比，热处理后HRA可以提高0.5-1.5，抗弯强度可达4000 N/mm2以上。

附图说明

[0021] 图1为本发明所制备的合金的500倍金相照片；

[0022] 图2为本发明所制备的合金的3000倍SEM背散射电镜图像；

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述和说明。

[0024] 一种钢结硬质合金，采用WC作为硬质相，Fe作为粘结相，添加Cr3C2及添加剂WB，采用粉末冶金的方法制备。其中添加剂WB是用于改善钢结硬质合金烧结特性和硬度的物质。本发明属于多牌号系列化成果，材料的成分比例范围宽，具体为:WC 40%-80%，Fe 15%-55%，Cr3C2 0.5%-4%，炭黑0.1%-0.5%，添加剂WB0.5%-5%。其中，WC原料的Fsss粒度范围在0.2-30μm。

[0025] 该钢结硬质合金的制备工艺包括配料-湿磨-喷雾干燥-压制成型-烧结-热处理等步骤，具体为：

[0026] 1）将原料WC、Fe、Cr3C2、炭黑及添加剂WB按照一定比例配制，其中炭黑的添加量是根据相图及两相区的特点计算得到的，其加入量为物料总量的0.1%-0.5%。

[0027] 2）将所有物料加入到50L-300L的可倾式球磨机中，按照球料比为2-5:1的比例装入球磨球，添加无水乙醇作为研磨介质，添加配料总质量（即WC、Fe、Cr3C2和WB的总质量）1%-4%的石蜡作为成型剂，球磨20-50小时。

[0028] 3）利用先进的喷雾干燥系统，在160℃-240℃的高温氮气作用下，把料浆干燥为具有一定松装密度、流速和粒度分布的混合料粉末。

[0029] 4）混合料在自动压机50MPa-300MPa的压力下进行压制成型，得到所需形状要求的产品。

[0030] 5）采用进口低压炉进行烧结，烧结温度为1200-1500℃，保温时间30min-120min，然后冷却，得到目标形状和尺寸的钢结硬质合金。

[0031] 6）合金在真空热处理系统中进行800-1200℃淬火和100-500℃回火，得到最终的硬质合金产品。

[0032] 本发明制备的硬质合金孔隙率低，达到常规硬质合金水平，为A02B00C00，具有优异的耐磨耐蚀耐冲击高强韧的特点，抗弯强度可达4000N/mm2以上，在某些使用领域超过同样粘结相含量硬质合金的10%-30%。本发明的合金所需的原材料性价比高，制备方法满足工业批量生产要求，大大拓展了钢结硬质合金的应用范畴，可以在模具材料、耐磨零件及矿山工具等对耐磨性和韧性要求都较高的工业领域使用。

[0033] 实施例1：

[0034] 将重量百分比为50%的WC、48.1%的Fe、1%的Cr3C2、0.3%的炭黑、0.6%的添加剂WB按照要求配料，放置到体积为300L湿磨机中，控制球料比为3:1，以无水乙醇为球磨介质，添加配料总质量2%的石蜡作为成型剂，进行研磨36h，之后卸料，并在200℃温度条件下进行喷雾干燥，得到混合粉料，然后，将混合粉料置于125MPa压力下进行压制成坯，之后，将坯体放入低压炉内于1240℃下烧结90min，得到合金坯体，随后把合金坯体放在真空热处理炉中进行1100℃淬火和170℃回火，即得到高硬度、高耐磨性和高强韧性的钢结硬质合金。对本实施例所制得的钢结硬质合金进行性能检测，其结果如表1所示。

[0035] 实施例2：

[0036] 将重量百分比为60%的WC、34.3 %的Fe、0.5%的Cr3C2、0.2%的炭黑，5%的添加剂WB按照要求配料，放置到体积为300L湿磨机中，控制球料比为2:1，以无水乙醇为球磨介质，添加配料总质量1%的石蜡作为成型剂，进行研磨42h，之后卸料，并在160℃温度条件下进行喷雾干燥，得到混合粉料，然后，将混合粉料置于50MPa压力下进行压制成坯，之后，将坯体放入低压炉内于1300℃下烧结100min，得到合金坯体，随后把合金坯体放在真空热处理炉中进行1100℃淬火和170℃回火，即得到高硬度、高耐磨性和高强韧性的钢结硬质合金。对本实施例所制得的钢结硬质合金进行性能检测，其结果如表1所示。

[0037] 实施例3：

[0038] 将重量百分比为40%的WC、55%的Fe、4%的Cr3C2、0.5%炭黑，0.5%的添加剂WB按照要求配料，放置到体积为300L湿磨机中，控制球料比为3:1，以无水乙醇为球磨介质，添加配料总质量4%的石蜡作为成型剂，进行研磨20h，之后卸料，并在240℃温度条件下进行喷雾干燥，得到混合粉料，然后，将混合粉料置于300 MPa压力下进行压制成坯，之后，将坯体放入低压炉内于1200℃下烧结120min，得到合金坯体，随后把合金坯体放在真空热处理炉中进行800℃淬火和100℃回火，即得到高硬度、高耐磨性和高强韧性的钢结硬质合金。对本实施例所制得的钢结硬质合金进行性能检测，其结果如表1所示。

[0039] 实施例4：

[0040] 将重量百分比为80%的WC、15%的Fe、3%的Cr3C2、0.1%的炭黑、1.9%的添加剂WB按照要求配料，按照要求配料，放置到体积为300L湿磨机中，控制球料比为5:1，以无水乙醇为球磨介质，添加配料总质量2%的石蜡作为成型剂，进行研磨50h，之后卸料，并在180℃温度条件下进行喷雾干燥，得到混合粉料，然后，将混合粉料置于200MPa压力下进行压制成坯，之后，将坯体放入低压炉内于1500℃下烧结30min，得到合金坯体，随后把合金坯体放在真空热处理炉中进行1200℃淬火和500℃回火，即得到高硬度、高耐磨性和高强韧性的钢结硬质合金。对本实施例所制得的钢结硬质合金进行性能检测，其结果如表1所示。

[0041] 表1：本发明各实施例所制备钢结硬质合金的性能检测图表

[0042]

[0043] 通过表1可知本发明制备的钢结硬质合金与同使用领域的硬质合金相比，无论在硬度还是在强度方面都有较大的提升，实现了硬度和强度这对矛盾体的统一，使用前景广阔。

[0044] 为了更细致的比较其他性能，选取了本发明实施例1制备的钢结硬质合金与该钢结硬质合金可运用的领域所使用的传统硬质合金材料进行耐磨性和耐冲击韧性的比较，其结果如表2所示。

[0045] 表2 新材料与传统硬质合金材料耐磨性和冲击韧性的比较

[0046]

[0047] 通过表2可知，本发明所制备的钢结硬质合金的耐磨性和冲击韧性都优于同行业使用硬质合金水平。