用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料及其製備方法
2023-05-14 17:06:01 2
專利名稱：用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種硬質合金及其加工方法，更具體的說，本發明主要涉及一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料及其製備方法。
背景技術：
自進式錨杆用鑽頭通常用硬質合金刃部加鑄鐵桿身，而硬質合金通常用鈷粘接碳化鎢或者碳化鈦而成，而我國是一個金屬鈷資源缺乏的國家，因此錨杆鑽頭的刃部比較昂貴，而錨杆鑽頭屬一次性消耗品且用量巨大，使得錨杆鑽頭的生產及使用成本提高，且原有的錨杆鑽頭硬質合金經焊接後需要機械加工，而機械切削加工硬質合金非常困難，因此有必要開發其他材料代替硬質合金，用新型製備方法代替機械加工硬質合金，而鐵基複合材料在現代工業中應用非常廣泛，如在水泥、冶金、汽車發動機零件、模具等，目前鐵基合金材料的製備主要採用粉末冶金法和鑄造法來實現，其中粉末冶金法就是將顆粒增強相和鐵基 體粉進行混合再通過燒結而成，顆粒增強相通過外加分布在基體中，存在顆粒增強相與基體結合潤溼性不好，結合不牢等缺陷，並且這類合金材料在磨損過程中容易從基體脫落，鑄造法製備鐵基複合材料主要是將顆粒相加入到液態鐵水或鋼水中，通過攪拌使顆粒相分布在基體中，然後澆注到鑄型中而製得，鑄造法製得的鐵基複合材料存在流動性差，顆粒增強相體積分數不高、分布不均等不足。原有的表面複合材料存在與基體結合不牢，顆粒增強相容易脫落等缺點。
發明內容
本發明的目的之一在於針對上述不足，提供用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料及其製備方法，以期望解決現有技術中金屬鈷使用成本較高，同類硬質合金材料顆粒增強相與基體結合性不足，以及流動性差，顆粒增強相體積分數低等技術問題。為解決上述的技術問題，本發明採用以下技術方案本發明一方面提供了一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，所述硬質合金材料中以質量百分比計，包含5. 7%至32. 36%的W、1. 12%至12. 63%的V與適量的C，餘
量為Fe。作為優選，進一步的技術方案是所述硬質合金材料中以質量百分比計，C的含量為1. 11%至 12. 264% O更進一步的技術方案是所述硬質合金材料中C含量總質量的3%至20%以金剛石顆粒的形式存在。更進一步的技術方案是所述硬質合金材料中W與V的原子數之比為1:2至2:1。更進一步的技術方案是所述的硬質合金材料中以質量百分比計，還包括O.1 %至3%的Cu與O.1 %至3. 5%的Mo。本發明另一方面提供了一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料的製備方法，所述的方法包括如下步驟
步驟A、根據權利要求1至5所述鐵基硬質合金材料中各元素的質量百分比，計算並稱取作為原料的碳化鎢顆粒、五氧化二釩、膠體石墨、金剛石顆粒和鐵基體預合金粉待用；步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合後加入佔原料總質量2%至3%的粘接劑，進行攪拌並造粒；步驟C、在粒狀原料中加入硬脂酸鋅後，放入指定模具中壓製成型，經燒結後得到鐵基硬質合金材料坯塊。作為優選，進一步的技術方案是所述步驟A中加入的碳化鎢顆粒與五氧化二釩的粒徑均小於50微米，鐵基體預合金粉中至少包括金 屬鐵、銅與鑰。更進一步的技術方案是所述步驟B中的粘接劑為汽油橡膠粘接劑，且步驟C中加入的硬脂酸鋅佔粒狀原料總質量的0. 3%至8%。更進一步的技術方案是所述步驟C中放入指定模具中壓製成型的粒狀原料燒結為在恆定時間內升溫到500攝氏度並進行第一次保溫，然後再在恆定時間內升溫到1150攝氏度並進行第二次保溫。更進一步的技術方案是所述步驟C中燒結的恆定時間均為7至13分鐘，且第一次保溫時間為4至8分鐘，第二次保溫時間為15至25分鐘。與現有技術相比，本發明的有益效果之一是依據各元素成分的額定含量，將碳化鎢顆粒、五氧化二釩、膠體石墨、金剛石顆粒與鐵基體預合金粉均勻混合併燒結而成的鐵基硬質合金，可以替代原有的金屬鈷粘接碳化鎢製成的硬質合金製作為自進式錨杆的鑽頭，其刃部的硬度性能優異，具有掘進速度快且耐磨的優點，相對於前述鈷粘接碳化鎢製成的硬質合金來說，生產成本較低，同時本發明所提供的一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金製備工藝簡單，亦可在各類自進式錨杆的鑽頭上使用，應用範圍廣闊。
具體實施例方式下面結合發明人在進行具體實驗時的部分數據對本發明作進一步闡述。實施例1在本實施例中，所述自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料中以質量百分比計，應當包含32. 36%的W (鎢)、11. 6%的V (釩)與適量的C (碳)，餘量為Fe (鐵)。前述的碳含量可參照V (釩)的含量進行比照設置。上述碳兀素的作用為使所述V (鑰;)完全生成碳化物，即VC (vanadium carbide碳化釩)，同時固溶於鐵基體中的C的含量不超過其總質量的0. 6%，上述硬質合金材料中W與V的原子數之比為1:2。該合金材料的製備方法大致為步驟A、根據上述鐵基硬質合金材料中各元素的質量百分比，計算並稱取作為原料的碳化鎢顆粒、五氧化二釩、膠體石墨和鐵基體預合金粉待用，而前述原料均可購買市面上現成的原材料；步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合後在其中加入佔原料總質量2%的粘接劑，進行攪拌並造粒，在本步驟中，造粒的方式優選採用現有技術中的造粒機械輔助進行，由於此類機械已應用得較為成熟，此處不再多做介紹，上述原材料中V (釩)元素的存在可以改善WC (碳化鎢)的外形，使WC趨於球形；
步驟C、在粒狀原料中加入適量的硬脂酸鋅後，放入指定模具中壓製成型，經燒結後得到鐵基硬質合金材料坯塊。而前述加入的硬脂酸鋅佔粒狀原料總質量的4%。所述模具可根據所需坯塊成品的形狀進行選擇。實施例2在本實施例中，為進一步提高鐵基硬質合金材料的硬度，可使合金材料中的一部分碳元素以金剛石顆粒的形式存在，而金剛石顆粒優選為200目，即鐵基硬質合金材料中以質量百分比計，包含19. 5%的W (鎢)、5.63%的V (釩)與5. 11%的C (碳)，餘量為Fe(鐵)。前述硬質合金材料中W與V的原子數之比為2:1，二者形成固溶體協同增強作用明顯，可以獲得較好的基體強化效果。當W與V的原子數比為1:1時，固溶體(W，V)C中的W，V原子可以實現最大的1:1置換固溶，能產生更強的固溶強化作用，從而獲得最佳的鐵基體強化效果。本實施例中所述鐵基硬質合金材料的製備方法為
步驟A、根據上述鐵基硬質合金材料中各元素的質量百分比，計算並稱取作為原料的碳化鎢顆粒、五氧化二釩、膠體石墨、金剛石顆粒和鐵基體預合金粉待用；其中膠體石墨的加入量除去燒損和溶入鐵基體中的碳元素，應控制在碳與五氧化二釩的摩爾比為2:1的範圍內；步驟B、將上一步驟中稱取的原料加入容器中均勻混合後，加入佔原料總質量3%的汽油橡膠粘接劑，進行攪拌並造粒，其中造粒操作可參照上述實施例進行；步驟C、在粒狀原料中加入適量的硬脂酸鋅後，放入指定模具中壓製成型，經燒結後得到鐵基硬質合金材料坯塊。而前述加入的硬脂酸鋅佔粒狀原料總質量的O. 3%。實施例3基於上述實施例，發明人在鐵基硬質合金材料中首次添加輔助元素的配比為以質量百分比計，包含7. 4%的W (鎢)、2.24%的V (釩)、1.65%的C (碳)、0.2%的Cu (銅)、
0.2%的Mo (鑰)，餘量為Fe (鐵)；製備方式及所採用的原料與上述實施例基本相同。實施例4發明人發現，上述實施例中雖增強了鐵基硬質合金的硬度，但部分力學性能仍存在瑕疵，參照上一實施例中所加入的輔助元素，再次在鐵基硬質合金材料中加入了金屬Cu(銅)與Mo (鑰)成分，而這些金屬成分可與上述鐵基一起，以鐵基體預合金粉的形式加入。且發明人在進行本次實驗的過程中，認為硬度較為優異的一種鐵基硬質合金成分質量百分比為 22. 80 % 的鎢(W)，12. 63 % 的釩(V)，10 % 的碳(C)，50 % 的鐵(Fe)，2. 05 % 的銅(Cu)，
2.52% 的鑰(Mo)。上述成分的組成中，W的加入形式為碳化鎢顆粒，V的加入形式為五氧化二釩粉，C以膠體石墨和金剛石顆粒的形式加入，其他元素以預合金粉的形式加入，上述硬質合金材料中W與V的原子數之比為1. 5:1. 2。且上述銅(Cu)與鑰(Mo)元素的原料中的C含量一般不超過其總質量的O. 6%同時上述的碳化鎢顆粒與五氧化二釩的粒徑均小於50微米，上述原料混合後壓制前加入的硬脂酸鋅佔粒狀原料總質量的3%。實施例5上述鐵基硬質合金材料較為優選的製備方法為
步驟A、以重量百分比計，加入24. 29%的碳化鎢顆粒、22. 55%的五氧化二釩、
3.52%的膠體石墨、5%的金剛石顆粒和餘量的鐵基體預合金粉待用；步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合後加入佔原料總質量3%的汽油橡膠粘接齊U，進行攪拌並造粒；步驟C、在粒狀原料中加入硬脂酸鋅後，放入指定模具中壓製成型，經燒結後得到鐵基硬質合金材料坯塊。燒結的具體方法為在恆定時間內升溫到500攝氏度並進行第一次保溫，然後再在恆定時間內升溫到1150攝氏度並進行第二次保溫。其目的為燒去汽油橡膠,除去多餘的氣體,將坯塊燒結成型。發明人在進行上述實驗時多次選擇的恆定時間是 7至13分鐘之間，第一次保溫時間為4至8分鐘之間，第二次保溫時間為15至25分鐘之間，而經過發明人反覆推導，認為最為優選的參數值為前述恆定時間為10分鐘，第一次保溫時間為5分鐘，第二次保溫時間為20分鐘，待第二次保溫時間結束後，鐵基硬質合金材料坯塊即製作完成，可在錨杆鑽頭上應用。在本說明書中所談到的「一個實施例」、「另一個實施例」、「實施例」、等，指的是結合該實施例描述的具體特徵、結構或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。在說明書中多個地方出現同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說，結合任一實施例描述一個具體特徵、結構或者特點時，所要主張的是結合其他實施例來實現這種特徵、結構或者特點也落在本發明的範圍內。儘管這裡參照本發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則範圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開和權利要求的範圍內，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對於本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。
權利要求
1.一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述硬質合金材料中以質量百分比計，包含5. 7 %至32. 36 %的W、1. 12 %至12. 63 %的V與適量的C，餘量為Fe。
2.根據權利要求1所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述硬質合金材料中以質量百分比計，C的含量為1. 11%至12. 264%。
3.根據權利要求1或2所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述硬質合金材料中C含量總質量的3%至20%以金剛石顆粒的形式存在。
4.根據權利要求1或2所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述硬質合金材料中W與V的原子數之比為1:2至2:1。
5.根據權利要求1所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述的硬質合金材料中以質量百分比計，還包括O. 1%至3%的Cu與O. 1%至3. 5%的Mo。
6.一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料的製備方法，其特徵在於所述的方法包括如下步驟 步驟A、根據權利要求1至5所述鐵基硬質合金材料中各元素的質量百分比，計算並稱取作為原料的碳化鎢顆粒、五氧化二釩、膠體石墨、金剛石顆粒和鐵基體預合金粉待用； 步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合後加入佔原料總質量2%至3%的粘接劑，進行攪拌並造粒； 步驟C、在粒狀原料中加入適量硬脂酸鋅後，放入指定模具中壓製成型，經燒結後得到鐵基硬質合金材料坯塊。
7.根據權利要求6所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述步驟A中加入的碳化鎢顆粒與五氧化二釩的粒徑均小於50微米，鐵基體預合金粉中至少包括金屬鐵、銅與鑰。
8.根據權利要求6所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述步驟B中的粘接劑為汽油橡膠粘接劑，且步驟C中加入的硬脂酸鋅佔粒狀原料總質量的O.3%至 8%。
9.根據權利要求6所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述步驟C中放入指定模具中壓製成型的粒狀原料燒結為在恆定時間內升溫到500攝氏度並進行第一次保溫，然後再在恆定時間內升溫到1150攝氏度並進行第二次保溫。
10.根據權利要求9所述的用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金材料，其特徵在於所述步驟C中燒結的恆定時間均為7至13分鐘，且第一次保溫時間為4至8分鐘，第二次保溫時間為15至25分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金及其製備方法，屬一種硬質合金及其加工方法，所述硬質合金材料中以質量百分比計，包含5.7％至32.36％的W、1.12％至12.63％的V與適量的C，餘量為Fe。依據各元素成分的額定按量，將碳化鎢顆粒、五氧化二釩、膠體石墨、金剛石顆粒與鐵基體預合金粉均勻混合併燒結而成的鐵基硬質合金，可以替代原有的金屬鈷粘接碳化鎢製成的硬質合金製作為自進式錨杆的鑽頭，其刃部的硬度性能優異，具有掘進速度快且耐磨的優點，相對於前述鈷粘接碳化鎢製成的硬質合金來說，生產成本較低，同時本發明所提供的一種用於自進式錨杆鑽頭的鐵基硬質合金製備工藝簡單，亦可在各類自進式錨杆的鑽頭上使用，應用範圍廣闊。
文檔編號C22C38/12GK103014489SQ20121053178
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者丁義超, 吳航, 牛建文, 謝志萍, 王靜, 羅垂敏, 尹紅 申請人:成都現代萬通錨固技術有限公司