[发明专利]一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法。适合于要求合金表面硬度及耐磨性高、冲击韧性高和耐疲劳的钻探或者盾构硬质合金产品的制备。属于硬质合金材料制造技术领域。

背景技术

硬质合金被誉为“工业的牙齿”，具有高强度、高硬度、耐疲劳、耐腐蚀、低热膨胀系数等特点，被广泛应用于机械加工、矿业开采等行业。随着对硬质合金研究进程的不断推进，硬质合金正朝着超粗和超细晶粒两个方向发展。按Sandvik公司有关硬质合金的分类标准，合金中WC晶粒度为3．5～4．9μm、5．0～7．9μm、8．0～14μm的硬质合金分别为粗晶粒、超粗晶粒和特粗晶粒硬质合金。在合金中Co含量相同的条件下，相对于中、粗晶粒硬质合金，特、超粗晶粒硬质合金拥有较大的热导率，较高的断裂韧性和较好的抗热疲劳与抗热冲击性能，被应用于对韧性与抗热疲劳、抗热冲击性能要求较高的冲压模、热轧辊等机械零部件之中，和作为极端工矿条件下连续开采软岩的凿岩器械部件。

实际开采过程中，凿岩硬质合金工作环境恶劣，岩层的状况及其复杂，其损坏和失效的方式也不一样。研究发现，凿岩硬质合金发生失效有以下主要形式：冲击疲劳、磨粒磨损和热疲劳。对于硬岩层来说，磨粒磨损程度相对低一些，合金失效主要由冲击和冲击疲劳导致。粗大的硬质合金相晶粒由于表面积较小，使粘结相分布较广，有利于提高合金的冲击韧性。

现有的制备超粗晶合金的方法主要是超高温碳化（1800-2000℃）和超高温烧结（1450-1500℃），使硬质合金整体晶粒度提高到8-14μm。由于硬质合金晶粒度越高强度和硬度都会下降，而且上述工艺对提高硬质合金晶粒度的程度也有限。硬质合金钻齿的主要工作部位是表面。只要保证表面的韧性，就能够保证钻齿的服役性能。因此，本研究开发了一种表面具有晶粒度达20μm的超粗晶合金，而内部仍然在5-7μm的正常合金范围。

发明内容

本发明的目的是针对实际的需求，提供一种工艺方法简单、设备投资少、过程控制简便的表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法。

本发明一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，包括下述步骤：

第一步：配料、混料

配制总碳量比平衡碳量低0.2-0.7wt%的硬质合金，湿磨，制粒，干燥；

第二步：冷压、脱蜡

向第一步所得粉末中添加成型剂，混合均匀后冷压成型；在氢气氛中加热至850-950℃排除成形剂，得到预制硬质合金；

第三步：渗碳烧结处理

将预制硬质合金埋在石墨颗粒中或者置于压力为0.1-2MPa的烷基气体气氛中，在氢气气氛保护环境下加热渗碳烧结，随炉冷却至常温后出炉；渗碳烧结温度为1400℃-1500℃，保温时间1h-4h。

本发明一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，第一步中，所述硬质合金由难熔金属W，Ti,Ta,Nb,Hf中的一种的贫碳碳化物与粘结金属Co,Fe,Ni或其合金中的一种为原料制备得到，原料配比的总碳量比平衡碳量低0.2-0.7wt%的硬质合金；所述硬质合金中各组分的平均粒度，金属碳化物为1-5μm,粘结金属或合金粉末为1-10μm；所述贫碳碳化物中碳含量低于相应金属碳化物的标准化学计量值。

本发明涉及一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，第一步中，所述湿磨工艺参数为：球磨介质选自汽油、酒精、丙酮中的一种；球料质量比为0.5-2：1；球磨转速为30-120转/分钟，球磨时间10-24小时。

本发明涉及一种表面具有超粗晶粒的硬质合金的制备方法，第二步中，所述成型剂选自石蜡、橡胶中的一种，成型剂占粉末质量0.1-0.3%；冷压成型压力为100-300MPa。

本发明采用上述工艺方法，在正常制备硬质合金的基础上，通过降低球磨转速，降低球磨破碎效率，增加球磨时间提高混合率，以免硬质合金相晶粒被过度破碎，提高最终产物表面晶粒大小的均匀性。渗碳烧结，对硬质合金表面渗碳，使其表面达到正常硬质合金碳含量，保证硬质合金表面的强度及硬度；采用较高的渗碳烧结温度，并适当延长保温时间，可以促使合金表面较小晶粒进一步溶解再结晶并不断发生长大，最终得到表面具有超粗晶的硬质合金。制得的硬质合金表面晶粒超过常规晶粒的尺寸特征，因此具有高韧性和高耐磨性。

综上所述，本发明工艺简单、设备投资少、过程控制简便，制备的合金表层晶粒粗大，具有较好的强韧性，适于要求合金表面硬度及耐磨性高、冲击韧性高和耐疲劳的钻探或者盾构硬质合金产品的制备，适于工业化生产。

附图说明