一種鑿巖工具用的硬質合金的製作方法

2023-06-01 20:04:11 1

一種鑿巖工具用的硬質合金的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種鑿巖工具用的硬質合金，該硬質合金分為兩層：表層和基體；表層和基體採取兩種不同粒度、不同鈷含量的鎢鈷合金，在表層的組分中採用粒度為較細顆粒的碳化鎢，低鈷含量，在基體的組分中採用平均粒度為較粗顆粒的碳化鎢，高鈷含量。該硬質合金的製備方法為：將基體混合粉粉末和表層混合粉粉末，分別進行球磨、摻膠工序處理後，壓製成鑿巖工具用的硬質合金毛坯；使得表層混合料粉末均勻地包裹在基體表面的至少一部分上，然後進行微波燒結。通過以上方法得到的硬質合金在其基體的一部分表面上，如齒尖的表層中，具有高硬度、高耐磨性；而基體具有高韌性，耐衝擊的特徵，較好地適應了鑿巖工具的工況，大大地提高了其使用壽命。
【專利說明】一種鑿巖工具用的硬質合金

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硬質合金材質及其製造方法，特別是涉及一種鑿巖工具用的硬質
I=1-Wl O

【背景技術】
[0002]在實際工作中，鑿巖工具承受著複雜多變的載荷，所以要求鑿巖工具用的硬質合金具有強度和硬度的良好的配合，而這一點對於鎢鈷硬質合金來說是極其困難的:含鈷量高、含碳化鎢量低的硬質合金韌性好，但硬度低、耐磨性差；而含鈷量低、含碳化鎢量高的硬質合金硬度高、耐磨性好，但韌性低，不耐衝擊，容易脆斷和崩裂。也就是說，硬質合金的硬度和強度，韌性和耐磨損性能之間存在著尖銳的矛盾，難以同時提高。長久以來，很多材料科學家做了大量的工作，獲得了一些進步。如:20世紀末期，世界最著名的硬質合金公司——瑞典山特維克(SANDVIK)採取原子擴散的工藝，使得硬質合金表層和心部的含鈷量有所不同，表層含鈷量很低達到3-5%，從而達到表層耐磨；心部含鈷量大約為10%，達到韌性好、耐衝擊的性能，從而解決了耐磨性和韌性這樣一對矛盾；此外，目前還有很多公司採取不同的碳化物顆粒配比，調整鈷相的分布，減少孔隙率，製成雙峰或三峰的鎢鈷合金，等等。但是這些處理方法要麼是工藝複雜，成本昂貴；要麼就是沒有達到理想的強度和韌性的良好配合程度。因此，尋找出一種更好的製造鑿巖工具用的硬質合金方法仍然是非常必要的。


【發明內容】

[0003]本發明的目的在於提供一種更加簡單、便捷的途徑來使硬質合金能夠更好地適合於鑿巖工具。
[0004]針對目前存在的問題，本發明在硬質合金的表層(如齒尖的表層)和基體採取了兩種不同粒度、不同鈷含量的鎢鈷合金，來製造出新的硬質合金，即在表層的組分中採用粒度較細顆粒的碳化鎢，低鈷含量，在基體的組分中採用平均粒度為較粗顆粒的碳化鎢，高鈷含量。通過微波燒結，得到的硬質合金在其表層具有高硬度、高耐磨性；而基體具有高韌性，耐衝擊的特徵，較好地適應了鑿巖工具的工況，大大地提高了其使用壽命。
[0005]下面詳細說明:
[0006]硬質合金的表層，其特徵是，各組份的質量百分比為:WC粉92%?95%，Co粉5%?8%，其中WC粉的顆粒範圍為0.6?0.8μπι ;Co粉顆粒範圍為1.0?1.5 μ m。
[0007]硬質合金的基體，其特徵是，各組份的質量百分比為:WC粉90%?94%，Co粉6%?10%，其中WC粉由三種粒度組成:A，較細顆粒的WC粉佔WC粉重量的25?35% ;B，中等顆粒的WC粉佔WC粉重量的25?35 %;C，較粗顆粒的WC粉佔WC粉重量的35?50 %;所述A類WC粉的顆粒範圍為0.8?1.2 μ m，B類WC粉的顆粒範圍為1.5?2.3 μ m，C類WC粉的顆粒範圍為2.5?3.5 μ m ;Co粉粒度範圍為1.0?1.5 μ m。
[0008]將基體混合粉粉末和表層混合粉粉末，分別進行球磨、摻膠等工序處理後，壓製成鑿巖工具用的硬質合金毛坯；使得表層混合料粉末均勻地包裹在基體表面的至少一部分上；表層混合料的厚度為I?5mm可調。
[0009]上述步驟中，將目前硬質合金行業通用的壓機再增加一套送料機構，使其能夠兩次送料，第一套送料機構送基體料，第二套送料機構送表層料，基體料在下面，表層料在上面，然後壓製成錐形齒或球形齒毛還。
[0010]本發明的硬質合金利用微波燒結，與傳統的真空燒結，包括低壓燒結相比，微波燒結的優點在於:1、細顆粒碳化鎢不會或難以長大。2、合金內的鈷來不及遠程擴散，就是說基體心部的高鈷含量來不及擴散到表層中去。3、由於微波燒結的「體加熱效應」使得心部和表層的結合處會產生一個很好的過渡層，結合面不會開裂，二者結合的非常牢固。4、微波燒結的合金密度較高，孔隙率很低。
[0011]上述微波燒結爐的參數如下:總功率50千瓦連續可調，頻率2.45GHz,真空和保護氣氛均可，裝爐量:100Kg，冷卻方式:風冷。
[0012]上述微波燒結爐的具體工藝為:該工藝為三階段:脫脂、氧化還原及最終緻密化三個階段；脫脂階段控制條件為:惰性氣體保護，壓力:3*103?20Pa ;溫度:室溫?400-600°C ;升溫速度:3?20°C /分，400?600°C時保溫10?30分；然後以10?30°C /分的速度升溫至氧化還原階段；氧化還原階段控制條件為:惰性氣體保護，壓力:3*103?20Pa ;溫度:900?1200°C ;保溫:30?40分；然後以10?20°C /分的速度升溫至最終緻密化階段，該階段控制條件為:惰性氣體保護，壓力:0?0.3MPa ;溫度:1250?1390°C ;最高溫度時保溫時間:20?40分；最終緻密化階段完成以後，風冷至150°C以下出爐。
[0013]上述惰性氣體可以為氮氣或氬氣。
[0014]上述三階段分為兩種形式，一是連續進行，即脫脂、氧化還原及最終緻密化三階段，連續微波燒結來完成；二是單獨在脫脂爐中進行脫脂，冷卻出爐，然後再進行後兩個階段——氧化還原和最終緻密化的微波燒結。
[0015]通過以上方法得到的硬質合金在其基體的一部分表面上，如齒尖的表層中，具有高硬度、高耐磨性；而基體具有高韌性，耐衝擊的特徵，較好地適應了鑿巖工具的工況，大大地提高了其使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例一的硬質合金的剖面示意圖；
[0017]圖2是本發明實施例一的硬質合金的金相圖。
[0018]圖中:
[0019]1、表層2、基體

【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明創造的具體實施例做詳細說明。
[0021]實施例一:
[0022]SZ0913硬質合金錐形齒的組成及製備方法如下:
[0023]表層硬質合金:其特徵為:它由下述重量百分比組分原料製備而成:含鈷量7%，其餘為碳化鎢和極少量不可避免的雜質。碳化鎢的粒度0.8 μ m ;
[0024]基體硬質合金:其特徵為:它由下述重量百分比組分原料製備而成:含鈷量8%，其餘為碳化鶴和極少量不可避免的雜質。碳化鶴的粒度為I μ m, 2 μ m和3 μ m,其重量比為:1μηι:2μηι:3μηι = 30%:30%:40%。配粉後,兩種粉末分別球磨，脫酒精,摻膠,制粒,壓製成帶有複合層的錐形齒毛坯，微波燒結。
[0025]上述過程中使用的壓機將目前硬質合金行業通用的壓機再增加一套送料機構，使其能夠兩次送料，第一套送料機構送基體料，第二套送料機構送表層料，基體料在下面，表層料在上面，然後壓製成錐形齒毛坯。
[0026]本實施例的微波燒結工藝如下:分為三階段連續燒結:即脫脂、氧化還原及最終緻密化三個階段連續進行。脫脂階段控制條件為:氮氣保護，壓力:3*103?20Pa ;以升溫速度:12°C /分，由室溫升到550°C ;550°C時保溫15分；以15°C /分速度升溫到1080°C ;保溫:30分；然後以12°C /分的速度升溫至最終緻密化階段1370°C，氮氣保護，壓力:0.3MPa ；保溫時間:30分；風冷至150°C以下出爐。
[0027]然後沿錐形齒的縱軸方向剖開，在顯微鏡下，可以看到該毛坯的齒尖部位的表面有約2mm厚的細晶粒層，該層硬度為HRc = 89?90，基體的晶粒要粗大一些，硬度HRc =87?88。經井下現場實際考核，其使用壽命可以提高20?80%
[0028]由圖2可以看出，上半部分的表層與下半部分的基體結合的非常好。
[0029]實施例二:
[0030]SZ1424硬質合金錐形齒的組成及製備方法如下:
[0031]表層硬質合金:其特徵為:它由下述重量百分比組分原料製備而成:含鈷量6%，其餘為碳化鎢和極少量不可避免的雜質。碳化鎢的粒度為0.6 μ m ;
[0032]基體硬質合金:其特徵為:它由下述重量百分比組分原料製備而成:含鈷量:7%，其餘為碳化鶴和極少量不可避免的雜質。碳化鶴的粒度為14!11,24 1]1和3.24 1]1,其重量比為:1μπι:2μπι:3.2μπι = 30%:30%:40%。配粉後，兩種粉末分別球磨，脫酒精，摻膠，制粒，壓製成帶有複合層的錐形齒毛坯，微波燒結。
[0033]上述過程中使用的壓機將目前硬質合金行業通用的壓機再增加一套送料機構，使其能夠兩次送料，第一套送料機構送基體料，第二套送料機構送表層料，基體料在下面，表層料在上面，然後壓製成錐形齒毛坯。在脫脂爐中脫脂，然後進行微波燒結。
[0034]本實施例的微波燒結工藝如下:氮氣氣體保護，壓力:3*103?20Pa ;以升溫速度:15°C /分，由室溫升到550°C ;550°C時保溫10分；再以15°C /分速度升溫到1080°C ;保溫:30分；然後以12°C /分的速度升溫至最終緻密化階段1350°C，氮氣保護，壓力:0.3MPa ;保溫時間:30分；風冷至150°C以下出爐。
[0035]然後沿錐形齒的縱軸方向剖開，在顯微鏡下觀察，可以看到該毛坯的齒尖部位的表面有約2?3mm厚的細晶粒層，該層硬度為HRc = 90?90.5，基體的晶粒要粗大一些，硬度HRc = 87?88。經礦山實際考核，其使用壽命可以提高50%?80%以上。
[0036]以上對本發明創造的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明創造的較佳實施例，不能被認為用於限定本發明創造的實施範圍。凡依本發明創造申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本發明創造的專利涵蓋範圍之內。
【權利要求】
1.一種鑿巖工具用的硬質合金，其特徵在於:硬質合金分為兩層:表層和基體；表層和基體採取兩種不同粒度、不同鈷含量的鎢鈷合金，在表層的組分中採用粒度為較細顆粒的碳化鎢，低鈷含量；在基體的組分中採用平均粒度為較粗顆粒的碳化鎢，高鈷含量。
2.根據權利要求1所述的硬質合金，其特徵在於:硬質合金的表層各組份的質量百分比為:WC粉92%?95% ,Co粉5%?8%，其中WC粉的顆粒範圍為0.6?0.8μπι ;Co粉顆粒範圍為1.0?1.5 μ m。
3.根據權利要求1所述的硬質合金，其特徵在於:硬質合金的基體各組份的質量百分比為:WC粉90%?94%，Co粉6%?10%，其中WC粉由三種粒度組成:A，較細顆粒的WC粉佔WC粉重量的25?35% ；B,中等顆粒的WC粉佔WC粉重量的25?35% ；C,較粗顆粒的WC粉佔WC粉重量的35?50% ;所述A類WC粉的顆粒範圍為0.8?1.2 μ m，B類WC粉的顆粒範圍為1.5?2.3 μ m，C類WC粉的顆粒範圍為2.5?3.5 μ m ;Co粉粒度範圍為1.0?L 5 μ m。
4.根據權利要求1所述的硬質合金，其特徵在於:所述表層厚度為I?5mm。
5.權利要求1-4任一項所述的硬質合金的製備方法,其特徵在於:將基體混合粉粉末和表層混合粉粉末，分別進行球磨、摻膠工序處理後，壓製成鑿巖工具用的硬質合金毛坯；使得表層混合料粉末均勻地包裹在基體表面的至少一部分上，然後進行微波燒結。
6.根據權利要求5所述的硬質合金的製備方法，其特徵在於:所述微波燒結分為三階段:脫脂、氧化還原及最終緻密化三個階段。
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於:所述脫脂階段控制條件為:惰性氣體保護，壓力:3*103?20Pa ;溫度:室溫?400-600°C;升溫速度:3?20°C /分，400?600°C時保溫10?30分；然後以10?30°C /分的速度升溫至氧化還原階段；氧化還原階段控制條件為:惰性氣體保護，壓力:3*103?20Pa ;溫度:900?1200°C ;保溫:30?40分；然後以10?20°C /分的速度升溫至最終緻密化階段，該階段控制條件為:惰性氣體保護，壓力:O?0.3MPa ;溫度:1250?1390°C ;最高溫度時保溫時間:20?40分；最終緻密化階段完成以後，風冷至150°C以下出爐。
8.根據權利要求6或者7所述的製備方法，其特徵在於:微波燒結的三階段分為兩種形式，一是連續進行，即脫脂、氧化還原及最終緻密化三階段，連續微波燒結來完成；二是單獨在脫脂爐中進行脫脂，冷卻出爐，然後再進行後兩個階段——氧化還原和最終緻密化的微波燒結。
9.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於:該製備方法中使用的壓機具有兩套送料機構，第一套送料機構送基體料，第二套送料機構送表層料，基體料在下面，表層料在上面。
【文檔編號】B22F1/00GK104210172SQ201410408727
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】馮冬維, 姚立鳳 申請人:天津市華輝超硬耐磨技術有限公司