[发明专利]一种碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品

说明书

本发明公开了一种碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品，属于硬质合金领域。该碳化钛基粉末冶金材料包括芯部耐磨层和与其冶金结合的包覆层，芯部耐磨层采用高硬度的碳化钛系粉末冶金材料，包覆层采用高韧性的碳化钛系粉末冶金材料，且芯部耐磨层和包覆层一起压制，一起烧结，形成界面应力梯度变化的碳化钛基粉末冶金材料。本发明碳化钛基粉末冶金材料通过改变和摸索碳化钛基粉末冶金产品中各原料成分的配比关系，使该冶金材料具有硬度和韧性梯度变化的复合结构，实现粉末冶金材料性能的梯度变化，既能满足产品的硬度、韧性要求，又增加冶金产品与基体材料的润湿性，适用于常规焊接或铸造工艺，耐磨性、牢固性高，使用寿命长。

技术领域

本发明涉及硬质合金技术领域，特别是涉及一种碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品。

背景技术

粉末冶金工艺制成的硬质合金材料，是目前广泛应用的超硬耐磨材料，由于其高硬度低韧性的特点，导致使用中经常发生开裂，疲劳断裂的事故，严重缩短硬质合金材料的服役寿命。粉末冶金材料的粉末颗粒特性，使其与钢铁基体材料结合界面存在物理性能的失配问题，由于热膨胀系数的差异，在高温载荷的作用下，界面应力集中区萌生裂纹和断裂，导致粉末冶金材料与钢铁基体材料结合困难，无法采用常规的焊接、铸造工艺实现与基体材料的冶金熔合。

目前粉末冶金材料与母体铁基材料复合的方法有：

1、机械结合式复合。将硬质合金块用螺丝固定在钢铁基体的工作部位，以达到提高耐磨性的目的。比如机床用车刀。这种结合牢固度差，易发生硬质合金脱落，影响零件的使用寿命。

2、铜钎焊粘合式复合。目前国内使用的各种型号的传统锻造钎焊截齿都是采用合金钢锻造成型，然后在锻件上钻孔，并将硬质合金用铜液钎焊方法固定，再经热处理等工序处理。该铜液钎焊复合方式只是两种材质间的粘合，而不发生扩散熔合，导致结合的不可靠。

煤矿采煤掘进机截齿、盾构机刀具、旋额挖钻机的钻齿等，在使用中受到高冲击震动和高磨损。其失效机理主要是由于冲击疲劳裂纹、冲击磨损和磨粒磨损，发生断裂。因此，产品的力学性能要求既要有高耐磨性，更需要具备高断裂韧性。

现有的粉末冶金复合产品，为提高耐磨性而增加外表硬度，多采用坚硬的耐磨相包覆在表层，忽略了提高其强度和断裂韧性的不足，在高冲击震动和高磨损并存的环境下，产品仍存在开裂断裂问题，严重影响了产品的使用寿命。如专利CN 106853532 A公开了一种复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体及其制备方法，是将已烧结的芯部基体材料成品，套入高硬度包覆材料的生坯内孔中，然后进行烧结。该发明较机械连接工艺有所改进，但仍是层状突变结构界面的机械结合，表层硬化的思路，不能根本解决产品开裂断裂的问题。

由此可见，上述现有的粉末冶金复合产品仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品，使其通过不同硬质相和粘合相的成分变化形成应力梯度变化的界面层，提高粉末冶金产品的冲击韧性、强度、硬度等综合力学性能，以满足工业生产需求，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种碳化钛基粉末冶金材料，使其通过不同硬质相和粘合相的成分变化形成应力梯度变化的界面层，提高粉末冶金材料的冲击韧性、强度、硬度等综合力学性能，以满足工业生产需求，从而克服现有的粉末冶金复合产品的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳化钛基粉末冶金材料，包括芯部耐磨层和与其冶金结合的包覆层，所述芯部耐磨层采用高硬度的碳化钛系粉末冶金材料，所述包覆层采用高韧性的碳化钛系粉末冶金材料，且所述芯部耐磨层和包覆层一起压制，一起烧结，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料。

进一步改进，所述芯部耐磨层包括如下按质量百分比计的原料：60-85％TiC，1-2％Mo，1-3％Ni，6-7％Mn，余量为Fe；所述包覆层包括如下按质量百分比计的原料：30-40％TiC，1-2％Mo，1-3％Ni，8-9％Mn，余量为Fe。