專利名稱：用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金及其加工方法，更具體的說，本發(fā)明主要涉及一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
自進(jìn)式錨桿用鉆頭通常用硬質(zhì)合金刃部加鑄鐵桿身，而硬質(zhì)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，因此錨桿鉆頭的刃部比較昂貴，而錨桿鉆頭屬一次性消耗品且用量巨大，使得錨桿鉆頭的生產(chǎn)及使用成本提高，且原有的錨桿鉆頭硬質(zhì)合金經(jīng)焊接后需要機(jī)械加工，而機(jī)械切削加工硬質(zhì)合金非常困難，因此有必要開發(fā)其他材料代替硬質(zhì)合金，用新型制備方法代替機(jī)械加工硬質(zhì)合金，而鐵基復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，如在水泥、冶金、汽車發(fā)動機(jī)零件、模具等，目前鐵基合金材料的制備主要采用粉末冶金法和鑄造法來實現(xiàn)，其中粉末冶金法就是將顆粒增強(qiáng)相和鐵基 體粉進(jìn)行混合再通過燒結(jié)而成，顆粒增強(qiáng)相通過外加分布在基體中，存在顆粒增強(qiáng)相與基體結(jié)合潤濕性不好，結(jié)合不牢等缺陷，并且這類合金材料在磨損過程中容易從基體脫落，鑄造法制備鐵基復(fù)合材料主要是將顆粒相加入到液態(tài)鐵水或鋼水中，通過攪拌使顆粒相分布在基體中，然后澆注到鑄型中而制得，鑄造法制得的鐵基復(fù)合材料存在流動性差，顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)不高、分布不均等不足。原有的表面復(fù)合材料存在與基體結(jié)合不牢，顆粒增強(qiáng)相容易脫落等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于針對上述不足，提供用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料及其制備方法，以期望解決現(xiàn)有技術(shù)中金屬鈷使用成本較高，同類硬質(zhì)合金材料顆粒增強(qiáng)相與基體結(jié)合性不足，以及流動性差，顆粒增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)低等技術(shù)問題。為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明一方面提供了一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，所述硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)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，余
量為Fe。作為優(yōu)選，進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)量百分比計，C的含量為1. 11%至 12. 264% O更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述硬質(zhì)合金材料中C含量總質(zhì)量的3%至20%以金剛石顆粒的形式存在。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述硬質(zhì)合金材料中W與V的原子數(shù)之比為1:2至2:1。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)量百分比計，還包括O.1 %至3%的Cu與O.1 %至3. 5%的Mo。本發(fā)明另一方面提供了一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料的制備方法，所述的方法包括如下步驟
步驟A、根據(jù)權(quán)利要求1至5所述鐵基硬質(zhì)合金材料中各元素的質(zhì)量百分比，計算并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(yù)合金粉待用；步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合后加入占原料總質(zhì)量2%至3%的粘接劑，進(jìn)行攪拌并造粒；步驟C、在粒狀原料中加入硬脂酸鋅后，放入指定模具中壓制成型，經(jīng)燒結(jié)后得到鐵基硬質(zhì)合金材料坯塊。作為優(yōu)選，進(jìn)一步的技術(shù)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于50微米，鐵基體預(yù)合金粉中至少包括金 屬鐵、銅與鑰。更進(jìn)一步的技術(shù)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中加入的硬脂酸鋅占粒狀原料總質(zhì)量的0. 3%至8%。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述步驟C中放入指定模具中壓制成型的粒狀原料燒結(jié)為在恒定時間內(nèi)升溫到500攝氏度并進(jìn)行第一次保溫，然后再在恒定時間內(nèi)升溫到1150攝氏度并進(jìn)行第二次保溫。更進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述步驟C中燒結(jié)的恒定時間均為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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果之一是依據(jù)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(yù)合金粉均勻混合并燒結(jié)而成的鐵基硬質(zhì)合金，可以替代原有的金屬鈷粘接碳化鎢制成的硬質(zhì)合金制作為自進(jìn)式錨桿的鉆頭，其刃部的硬度性能優(yōu)異，具有掘進(jìn)速度快且耐磨的優(yōu)點，相對于前述鈷粘接碳化鎢制成的硬質(zhì)合金來說，生產(chǎn)成本較低，同時本發(fā)明所提供的一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金制備工藝簡單，亦可在各類自進(jìn)式錨桿的鉆頭上使用，應(yīng)用范圍廣闊。
具體實施例方式下面結(jié)合發(fā)明人在進(jìn)行具體實驗時的部分?jǐn)?shù)據(jù)對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。實施例1在本實施例中，所述自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)量百分比計，應(yīng)當(dāng)包含32. 36%的W (鎢)、11. 6%的V (釩)與適量的C (碳)，余量為Fe (鐵)。前述的碳含量可參照V (釩)的含量進(jìn)行比照設(shè)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)，同時固溶于鐵基體中的C的含量不超過其總質(zhì)量的0. 6%，上述硬質(zhì)合金材料中W與V的原子數(shù)之比為1:2。該合金材料的制備方法大致為步驟A、根據(jù)上述鐵基硬質(zhì)合金材料中各元素的質(zhì)量百分比，計算并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(yù)合金粉待用，而前述原料均可購買市面上現(xiàn)成的原材料；步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合后在其中加入占原料總質(zhì)量2%的粘接劑，進(jìn)行攪拌并造粒，在本步驟中，造粒的方式優(yōu)選采用現(xiàn)有技術(shù)中的造粒機(jī)械輔助進(jìn)行，由于此類機(jī)械已應(yīng)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趨于球形；
步驟C、在粒狀原料中加入適量的硬脂酸鋅后，放入指定模具中壓制成型，經(jīng)燒結(jié)后得到鐵基硬質(zhì)合金材料坯塊。而前述加入的硬脂酸鋅占粒狀原料總質(zhì)量的4%。所述模具可根據(jù)所需坯塊成品的形狀進(jìn)行選擇。實施例2在本實施例中，為進(jìn)一步提高鐵基硬質(zhì)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(yōu)選為200目，即鐵基硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)量百分比計，包含19. 5%的W (鎢)、5.63%的V (釩)與5. 11%的C (碳)，余量為Fe(鐵)。前述硬質(zhì)合金材料中W與V的原子數(shù)之比為2:1，二者形成固溶體協(xié)同增強(qiáng)作用明顯，可以獲得較好的基體強(qiáng)化效果。當(dāng)W與V的原子數(shù)比為1:1時，固溶體(W，V)C中的W，V原子可以實現(xiàn)最大的1:1置換固溶，能產(chǎn)生更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，從而獲得最佳的鐵基體強(qiáng)化效果。本實施例中所述鐵基硬質(zhì)合金材料的制備方法為
步驟A、根據(jù)上述鐵基硬質(zhì)合金材料中各元素的質(zhì)量百分比，計算并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(yù)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(yīng)控制在碳與五氧化二釩的摩爾比為2:1的范圍內(nèi)；步驟B、將上一步驟中稱取的原料加入容器中均勻混合后，加入占原料總質(zhì)量3%的汽油橡膠粘接劑，進(jìn)行攪拌并造粒，其中造粒操作可參照上述實施例進(jìn)行；步驟C、在粒狀原料中加入適量的硬脂酸鋅后，放入指定模具中壓制成型，經(jīng)燒結(jié)后得到鐵基硬質(zhì)合金材料坯塊。而前述加入的硬脂酸鋅占粒狀原料總質(zhì)量的O. 3%。實施例3基于上述實施例，發(fā)明人在鐵基硬質(zhì)合金材料中首次添加輔助元素的配比為以質(zhì)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)，余量為Fe (鐵)；制備方式及所采用的原料與上述實施例基本相同。實施例4發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，上述實施例中雖增強(qiáng)了鐵基硬質(zhì)合金的硬度，但部分力學(xué)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(zhì)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(yù)合金粉的形式加入。且發(fā)明人在進(jìn)行本次實驗的過程中，認(rèn)為硬度較為優(yōu)異的一種鐵基硬質(zhì)合金成分質(zhì)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(yù)合金粉的形式加入，上述硬質(zhì)合金材料中W與V的原子數(shù)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(zhì)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于50微米，上述原料混合后壓制前加入的硬脂酸鋅占粒狀原料總質(zhì)量的3%。實施例5上述鐵基硬質(zhì)合金材料較為優(yōu)選的制備方法為
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%的金剛石顆粒和余量的鐵基體預(yù)合金粉待用；步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合后加入占原料總質(zhì)量3%的汽油橡膠粘接齊U，進(jìn)行攪拌并造粒；步驟C、在粒狀原料中加入硬脂酸鋅后，放入指定模具中壓制成型，經(jīng)燒結(jié)后得到鐵基硬質(zhì)合金材料坯塊。燒結(jié)的具體方法為在恒定時間內(nèi)升溫到500攝氏度并進(jìn)行第一次保溫，然后再在恒定時間內(nèi)升溫到1150攝氏度并進(jìn)行第二次保溫。其目的為燒去汽油橡膠,除去多余的氣體,將坯塊燒結(jié)成型。發(fā)明人在進(jìn)行上述實驗時多次選擇的恒定時間是 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(jīng)過發(fā)明人反復(fù)推導(dǎo)，認(rèn)為最為優(yōu)選的參數(shù)值為前述恒定時間為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(jié)束后，鐵基硬質(zhì)合金材料坯塊即制作完成，可在錨桿鉆頭上應(yīng)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(jié)合該實施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)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(xiàn)同種表述不是一定指的是同一個實施例。進(jìn)一步來說，結(jié)合任一實施例描述一個具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點時，所要主張的是結(jié)合其他實施例來實現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或者特點也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管這里參照本發(fā)明的多個解釋性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)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范圍和精神之內(nèi)。更具體地說，在本申請公開和權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進(jìn)行多種變型和改進(jìn)。除了對組成部件和/或布局進(jìn)行的變型和改進(jìn)外，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的用途也將是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)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，余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)量百分比計，C的含量為1. 11%至12. 264%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述硬質(zhì)合金材料中C含量總質(zhì)量的3%至20%以金剛石顆粒的形式存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述硬質(zhì)合金材料中W與V的原子數(shù)之比為1:2至2:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述的硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)量百分比計，還包括O. 1%至3%的Cu與O. 1%至3. 5%的Mo。
6.一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料的制備方法，其特征在于所述的方法包括如下步驟 步驟A、根據(jù)權(quán)利要求1至5所述鐵基硬質(zhì)合金材料中各元素的質(zhì)量百分比，計算并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(yù)合金粉待用； 步驟B、將上一步驟中稱取的原料混合后加入占原料總質(zhì)量2%至3%的粘接劑，進(jìn)行攪拌并造粒； 步驟C、在粒狀原料中加入適量硬脂酸鋅后，放入指定模具中壓制成型，經(jīng)燒結(jié)后得到鐵基硬質(zhì)合金材料坯塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述步驟A中加入的碳化鎢顆粒與五氧化二釩的粒徑均小于50微米，鐵基體預(yù)合金粉中至少包括金屬鐵、銅與鑰。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述步驟B中的粘接劑為汽油橡膠粘接劑，且步驟C中加入的硬脂酸鋅占粒狀原料總質(zhì)量的O.3%至 8%。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述步驟C中放入指定模具中壓制成型的粒狀原料燒結(jié)為在恒定時間內(nèi)升溫到500攝氏度并進(jìn)行第一次保溫，然后再在恒定時間內(nèi)升溫到1150攝氏度并進(jìn)行第二次保溫。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金材料，其特征在于所述步驟C中燒結(jié)的恒定時間均為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(fā)明公開了一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金及其制備方法，屬一種硬質(zhì)合金及其加工方法，所述硬質(zhì)合金材料中以質(zhì)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，余量為Fe。依據(jù)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(yù)合金粉均勻混合并燒結(jié)而成的鐵基硬質(zhì)合金，可以替代原有的金屬鈷粘接碳化鎢制成的硬質(zhì)合金制作為自進(jìn)式錨桿的鉆頭，其刃部的硬度性能優(yōu)異，具有掘進(jìn)速度快且耐磨的優(yōu)點，相對于前述鈷粘接碳化鎢制成的硬質(zhì)合金來說，生產(chǎn)成本較低，同時本發(fā)明所提供的一種用于自進(jìn)式錨桿鉆頭的鐵基硬質(zhì)合金制備工藝簡單，亦可在各類自進(jìn)式錨桿的鉆頭上使用，應(yīng)用范圍廣闊。
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(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)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(xiàn)代萬通錨固技術(shù)有限公司