[发明专利]一种硬质合金和双金属复合工艺及设备

说明书

技术领域

本发明涉及硬质合金及其复合材料，特别是一种含有Fe、Ni、Cr、Mo、Co等合金做粘接剂的硬质合金和其双金属复合材料制造工艺及设备。

背景技术

硬质合金作为一种高耐磨材料，由于所具有的高硬度、高强度和高的耐磨性而广泛地应用于刃具、模具、凿具、地质钻探和冶金轧辊等各种高抗磨埙的领域。传统的硬质合金是用钴做粘接剂，经粉末冶金烧结工艺制造而成的。而钴是稀缺的战略物质，价格高。近年来，由于世界工业的发展，对钴的需求量越来越大，导致全球性钴供不应求，钴价及番暴涨，使以钴为主要原料的硬质合金价格也随之大幅度上涨，使本来就昂贵的硬质合金的价格更加昂贵。同时，由于硬质合金属于高脆性材料，无法用于制作受冲击力大的易磨埙件，且整体硬质合金件还存在着造价高，一次性投资大的弊端。因此，从降低成本，提高工作性能和使用寿命考虑，人们在不断地开发硬质合金复合技术。但是由于使用钴所制造的硬质合金基体WC对钢(铁)的润湿性不佳，且与钢(铁)的物理性能差异悬殊较大(如线膨胀系数二者之比近于1∶2)，所以两种材料间的结合往往不能充分接触，从二给它们的复合带来相当大的困难。因线膨胀系数的差异所引起的较大的残余应力，常导致复合工件的破裂，使其不能作为复合件使用。虽然可以通过增加钴的含量来改善线膨胀系数差，但是钴的增加除提高产品价格外，还由于过高的钴含量使硬质合金的硬度降低，抗磨性减小，且抗氧化性能力低，易出现龟裂。如何提高硬质合金的线膨胀系数，改善其性能是一个长期困扰材料工作者而难以根治的症结。

文献《硬质合金》杂志(1996年第4期第213-215页)中报导了《硬质合金辊环的试制》，该报导中公开了几种硬质合金复合轧辊的复合工艺，其中热装法是利用内层的过盈量，通过加热外层进行热装而使内外层固定在一起的。但硬质合金内外环必须有一定的厚度，以免在内环张力的作用下破裂。因而用此法生产的复合辊环其硬质合金的节约量是有限的；胶结法是用环氧树脂之类的强力胶把内外环粘结在一起。但用此法生产的复合辊不宜在高温、高压力下使用；焊接法是通过真空加热炉将内外环间预置的焊料熔融，把内外环结合为一体。但焊接用硬质合金中WC的含量受到限制，因而外环的硬度较低，且气孔率较高；热等静压法是通过装入同一金属包套内外层的铁粉和硬质合金粉，在高压高温下经热等静压成复合辊坯。该工艺所制造的复合辊环存在着较大的内应力，需在热等静压后缓慢降温，并采用后续热处理加以消除。该工艺如果内外层间的膨胀系数相差过大还需在内外环间加一层过度材料而后再压。同时，该工艺还存在着设备投资大，制造工艺复杂，技术难度大，生产成本高等缺陷；铸造法(包括离心铸造法)是在铸造前先将需结合的硬质合金环的结合面上镀上一层金属镍作为过渡层，内外环采用铸钢、铸铁材质，以浇注的方法与外环结合成一个整体。但由于受镀层厚度和镀层质量的影响，仍然没有彻底解决两种材料间的线膨胀系数差的问题，使实际生产中的成功率很低，至今尚没有成功应用于生产的报导。

我国92101435.X号发明专利中公开了瑞典桑德维克公司所申请的一种《含有烧结硬质合金和铸铁轧辊及其制备方法》，该方法是通过离心铸造法铸入铁的合金的轧辊主体的一个或几各烧结硬质合金环。该铸造合金主要包括石墨铸铁，在铸造后含有残余奥氏体。为了减少或完全消除由于铸造后冷却引起的铸铁和烧结硬质合金之间的局部收缩，该残余奥氏体在随后的一次或多次热处理中，在体积增加的情况下，全部或部分转变为主要是贝氏体的组织。然而这种热处理工艺复杂，成本高且费时，所需的镶铸比大(一般要大于10以上)，技术难度大，难以掌握。且所使用的硬质合金仍然是以大量的钴做粘结剂。因而仍然存在着硬质合金的造价高，硬质合金基体WC与基体钢(铁)的润湿性差，两种材料间的线膨胀系数差异大，制造中易使两种材料的结合面不能得到充分熔合等缺陷。

目前，在上述各种硬质合金复合制造工艺中，较成功并在工业生产中有应用产品的方法是铸造法。但目前所采用的各种镶铸复合工艺为了防止硬质合金氧化和做到硬质合金的精确定位，对硬质合金均不采用预热工艺处理。由镶铸原理可知，两种材料间如果要形成冶金结合层，其镶铸比必须大于10以上，当镶铸比小于10时，复合界面将不能形成完整的冶金结合层，从而限制了应用领域。目前所使用的硬质合金均使用大量的钴做粘结剂或在粘结剂中添加部分镍、铬，致使硬质合金的价格昂贵，且还存在着硬质合金的基体WC与基体钢(铁)的润湿性差，两种材料间的线膨胀系数相差大，制造中易使两种材料间的结合界面不能得到充分熔合等缺陷。

发明内容