一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于將鈦粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.8～1.0配制成所需比例的原位合成TiC粉末；將鉬鐵粉，釩鐵粉，鉻鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨和稀土原料按粘接相金屬化學成分質(zhì)量比所需比例配制，裝入鋼球球磨，其中加入無水乙醇作介質(zhì)和PVA，球磨后將料漿干燥后壓制成形、燒結(jié)得到鋼結(jié)合金。本發(fā)明將原位反應合成技術(shù)與液相燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，制備了改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金。由于TiC是通過燒結(jié)過程中的反應在基體內(nèi)部原位合成，增強顆粒尺寸細小，表面無尖角，基體界面結(jié)合較好且界面干凈。所制備的鋼結(jié)合金方法能夠提高合金的綜合力學性能，而且價格低廉，工藝簡便。
【專利說明】一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，特別是用反應燒結(jié)法制取改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金【技術(shù)領域】。

【背景技術(shù)】
[0002]鋼結(jié)硬質(zhì)合金(以下簡稱為鋼結(jié)合金)是以鋼為基體，碳化鎢、碳化鈦等為硬質(zhì)相采用粉末冶金方法生產(chǎn)的介于硬質(zhì)合金和合金工具鋼、模具鋼及高速鋼之間的高壽命模具材料和工程材料。鋼結(jié)合金鋼基體粘結(jié)相與硬質(zhì)相的配比范圍相當廣泛，這就決定了其具備如下優(yōu)異性能:1)廣泛的工藝性能，主要是可鍛造性能和可切削加工性能以及可熱處理性和可焊接性。2)良好的物理機械性能，主要表現(xiàn)在與高鈷硬質(zhì)合金相當?shù)哪湍バ?；與鋼相比較高的剛性、彈性模量、抗彎強度和抗壓強度；與硬質(zhì)合金相比較高的韌性；以及良好的自潤滑性和高的阻尼特性等。3)優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，如耐高溫、抗氧化、抗各種介質(zhì)腐蝕等。由于鋼結(jié)合金的上述優(yōu)異的綜合性能，使得它在工模具材料、耐磨零件、耐高溫和耐腐蝕構(gòu)件材料等方面愈來愈占據(jù)重要的地位，且在金屬加工、五金電子、汽車、機械、冶金、化工、船舶、航空航天以及核工業(yè)等領域得到廣泛應用并得到良好效果。如與合金工具鋼、模具鋼及高速鋼相比，鋼結(jié)合金可使模具壽命數(shù)以十倍地大幅度提高，經(jīng)濟效益也極為顯著。
[0003]碳化鈦鋼結(jié)硬質(zhì)合金相比碳化鎢鋼結(jié)合金，其成本低，適合市場推廣使用。但其合金的強韌性仍較低，遠不能滿足愈來愈多的承受沖擊力較大，沖擊速度較高情況下的使用。因此開發(fā)生產(chǎn)高性能、低成本的碳化鈦鋼結(jié)硬質(zhì)合金很有必要。其中，提高碳化鈦鋼結(jié)合金的強韌性是重點的研究方向。
[0004]目前，制備TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的方法主要是粉末冶金液相燒結(jié)法。液相燒結(jié)法可以根據(jù)實際應用需要選擇適當?shù)恼辰Y(jié)相并能在較大范圍內(nèi)調(diào)整硬質(zhì)相的含量，但由于粉末冶金液相燒結(jié)法的硬質(zhì)相通常以外加方式引入，原材料成本高、顆粒粗大、硬質(zhì)相碳化鈦與粘結(jié)相的潤濕性不良、界面易受污染等，因此通過液相燒結(jié)法制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有孔隙度高、性能低、成本高等缺點，對于要求較高的應用場合往往需經(jīng)過鍛造或熱等靜壓處理，材料的性價比進一步降低。
[0005]近年來，國內(nèi)外開展了采用原位合成法制備鋼結(jié)硬質(zhì)合金的研究。原位合成技術(shù)是一種借助合金設計，于一定條件下在基體金屬內(nèi)原位反應生成一種或幾種熱力學穩(wěn)定的硬質(zhì)相的新型復合材料制備技術(shù)。與傳統(tǒng)的材料制備方法相比，該技術(shù)具有制備工藝簡單、原位生產(chǎn)的增強相不受污染，界面結(jié)合強度高等特點，是鋼結(jié)硬質(zhì)合金制備技術(shù)發(fā)展的趨勢。
[0006]但原位合成法也有諸多不足:增強顆粒只限于特定基體中的熱力學穩(wěn)定的粒了 ；生成的相比較復雜、不易控制；顆粒大小、形狀受形核、長大過程的動力學控制，且原位顆粒形成以后，在鑄造過程中常會偏析于枝晶問隙或晶粒邊界，對材料組織和性能產(chǎn)生不良影響，而且工藝性差，制備成本比現(xiàn)有工藝高，不適于規(guī)?；a(chǎn)。顯然，原位合成技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是必須進一步研究合理的均勻化工藝，優(yōu)化合成工藝、降低生產(chǎn)成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，用以提高TiC高錳鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的性能。
[0008]本發(fā)明的一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其采用以下技術(shù)方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2, Y3O2, La2O3其中之一或三種，PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下；
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.8?1.0進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比為:C1.0?
1.5%, Crl.8 ?2.5%, Mo0.6 ?2.0%, V0.5 ?2.0%, S1.6 ?0.9%, MnlO ?14%，N1.5 ?
2.0%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，Ce02、Y302、La2O3 其中之一或二種以上的組合< 0.8%，余量 Fe，和不可避免的雜質(zhì)元素；
3)改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料配制:材料化學成分質(zhì)量百分比為:原位合成TiC混合粉末30?60%，粘接相基體合金粉末70?40% ；
(3)制備工藝步驟是:
1)材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.8?1.0進行配制成所需比例的原位合成TiC混合粉末；將鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，根據(jù)所需的化學成分質(zhì)量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y302、La203其中之一或二種以上的組合原料按粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比所需比例配制，其中錳碳比> 3 ；
2)根據(jù)鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料所需的TiC顆粒和基體材料的比例將兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1?10:1，加入無水乙醇作介質(zhì)和0.5 — 1%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨48 - 72小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在350?500MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產(chǎn)品；
4)在真空條件下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350°C?1400°C，燒結(jié)工藝為:加熱速度10V /min，燒結(jié)時間為30?40min，保溫I?3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
[0009]有益效果
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明以價格低廉的鈦粉鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨為原料，將原位反應合成技術(shù)與液相燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合，制備了硬質(zhì)相碳化鈦體積分數(shù)為30% — 50%的TiC高耐磨鋼結(jié)硬質(zhì)合金。其主要特點是:①由于鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的TiC是通過燒結(jié)過程中的反應而在基體內(nèi)部原位合成，所以可以得到普通硬化相粉末混合的方法所難以達到，甚至不能達到的細微化和均勻程度，基體界面結(jié)合較好且界面干凈。②原位合成增強顆粒尺寸細小，表面無尖角，且在基體中分布均勻，從而提高了材料的抗彎強度和各項性能。③將原位合成技術(shù)與液相燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合起來，工藝簡便、成本低。④由于原材料的價格低廉，可以大大降低成本。同時本粉末的工藝中不僅可以在真空中燒結(jié)，也可以咋氫氣等氣氛中燒結(jié)，拓寬了生產(chǎn)制造的手段途徑。
[0010]本發(fā)明采用高能球磨方式提高粉末的活性，并且達到碳化鈦與鋼基體粉末機械合金化的程度，從而提高碳化鈦與鋼基體在燒結(jié)過程中的親和性，提高最終合金的強韌性。此夕卜，本發(fā)明中采用了價格較低的鑰鐵合金作為原料，其在燒結(jié)過程中進一步改善碳化鈦與鋼基體的潤濕性，提高合金的強韌性。因此，本發(fā)明制備高性能鋼結(jié)合金方法能夠提高合金的綜合力學性能，而且過程簡便，節(jié)約成本。
[0011]2、本發(fā)明通過添加Ce02、Y3O2, La2O3抑制了晶粒的長大,并起到彌散強化的作用。由于Ce02、Y3O2, La2O3化學性質(zhì)活潑，在燒結(jié)溫度下，CeO2, Y3O2, La2O3能夠與金屬粉末界面上的雜質(zhì)和氧化膜作用，起到凈化界面的作用，有助于潤濕性的改善，從而有利于致密化的進程，達到減小孔隙度的目的，而孔隙度的減小又必將有助于抗彎強度的提高。Ce02、Y3O2,La2O3粉含量介于0.2%和0.5%之間，可起到稀土強化作用，因此本發(fā)明的鋼結(jié)硬質(zhì)合金的強度和致密度得以提高，抗彎強度可達到1700MPa以上，致密度達到97.4%以上。
3、本發(fā)明采用高能球磨方式提高粉末的活性，并且達到碳化鈦與鋼基體粉末機械合金化的程度，從而提高碳化鈦與鋼基體在燒結(jié)過程中的親和性，提高最終合金的強韌性。此夕卜，本發(fā)明中采用了價格較低的鐵合金作為原料，并且通過添加一定量的鑰后，其在燒結(jié)過程中進一步改善碳化鈦與鋼基體的潤濕性，能夠抑制鋼結(jié)硬質(zhì)合金中原位反應合成的硬質(zhì)相TiC長大，使TiC顆粒尺寸減小，分布均勻。由于加入鑰后改善了粘結(jié)相對硬質(zhì)相TiC的潤濕性，有利于液相在燒結(jié)過程中對孔隙的填充，孔隙度低，使鋼結(jié)硬質(zhì)合金的密度得到提高，晶粒細小，組織均勻，從而使其硬度和抗彎強度和強韌性也得到了提高。因此，本發(fā)明制備高性能鋼結(jié)合金方法能夠提高合金的綜合力學性能，而且過程簡便，操作方便、燒結(jié)周期短、、工藝成本低、適于工業(yè)化生產(chǎn)。

【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案:
實施例1
一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其采用以下技術(shù)方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2, PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下；
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.85進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比為:C1.0%，Cr2.0%, Mol.4%, V0.8%, S1.6%, Mnl 1%, Nil.2%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，CeO2 ( 0.8%，余量Fe，和不可避免的雜質(zhì)元素；
3)改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料配制:材料化學成分質(zhì)量百分比為:原位合成TiC混合粉末30%，粘接相基體合金粉末70% ；
(3)制備工藝步驟是: O材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.85進行配制成原位合成30%TiC混合粉末；將鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，根據(jù)所需的化學成分質(zhì)量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2原料按粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比70%比例配制；
2)將鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料所需的原位合成30%TiC顆粒和基體材料70%的兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1，加入無水乙醇作介質(zhì)和0.6%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨55小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在400MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產(chǎn)品；
4)在真空條件下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1370°C，燒結(jié)工藝為:加熱速度10°C/min，燒結(jié)時間為30min，保溫1.5小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)
I=1-Wl O
[0013]實施例2
一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其采用以下技術(shù)方案:
(I)原材料:
所用原材料為鈦粉，鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2、Y3O2 二種，PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下;
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.9進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比為:C1.3%，Cr2.2%, Mol.8%, V1.5%, S1.7%, Mn 12%, Nil.6%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，CeO2 0.5%, Y3O2
0.3%、余量Fe，和不可避免的雜質(zhì)元素；
3)TiC高錳鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料配制:材料化學成分質(zhì)量百分比為:原位合成40%TiC混合粉末，粘接相基體合金粉末60% ；
(3)制備工藝步驟是:
O材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.9進行配制成所原位合成40%TiC混合粉末；將鉻鐵粉、鑰鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，釩鐵粉，根據(jù)所需的化學成分質(zhì)量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2, Y3O2原料按粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比60%比例配制；
2)將鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料所需原位合成的40%TiC顆粒和基體材料60%的比例的兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比7:1，加入無水乙醇作介質(zhì)和0.8%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨62小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在450MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產(chǎn)品；
4)在真空條件下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1390°C，燒結(jié)工藝為:加熱速度10°C/min，燒結(jié)時間為35min，保溫2.3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)
I=1-Wl O
[0014]實施例3
一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其采用以下技術(shù)方案:
(I)原材料: 所用原材料為鈦粉，鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y302、La2O3, PVA,粉末粒度均在10?50 μ m以下；
(2)材料配制:
1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為1.0進行配制成原位合成TiC混合粉末；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比為:C1.0?
1.5%, Crl.8 ?2.5%, Mo0.6 ?2.0%, V0.5 ?2.0%, S1.6 ?0.9%, MnlO ?14%，N1.5 ?
2.0%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，Ce02、Y302、La2O3 其中之一或二種以上的組合< 0.8%，余量 Fe，和不可避免的雜質(zhì)元素；
2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比為:C1.5%，Cr2.5%，Μο2.0%,V1.8%, S1.8%, Mn 13%, Ni 2.0%, S ^ 0.02,P ^ 0.02，CeO20.3%, Y3O20.3%,La2O3 0.2%、余量Fe，和不可避免的雜質(zhì)元素；
3)TiC高錳鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料配制:材料化學成分質(zhì)量百分比為:原位合成TiC混合粉末48%，粘接相基體合金粉末52% ；
(3)制備工藝步驟是:
O材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為1.0進行配制成所原位合成48%TiC混合粉末；將鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，根據(jù)所需的化學成分質(zhì)量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y3O2, La2O3原料按粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比52%比例配制；
2)將鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料所需原位合成的52%TiC顆粒和基體材料48%的比例的兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比10:1，加入無水乙醇作介質(zhì)和1%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨72小時；
3)將料漿干燥后過篩，然后在500MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產(chǎn)品；
4)在真空條件下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1420°C，燒結(jié)工藝為:加熱速度10°C/min，燒結(jié)時間為40min，保溫3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
【權(quán)利要求】
1.一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于包括如下技術(shù)方案: (1)材料配制: 1)原位合成TiC混合粉末配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.8?1.0進行配制成原位合成TiC混合粉末； 2)粘接相基體合金粉末配制:粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比為:C1.0?1.5%, Crl.8 ?2.5%, Mo0.6 ?2.0%, V0.5 ?2.0%, S1.6 ?0.9%, MnlO ?14%，N1.5 ?2.0%, S 彡 0.02，P 彡 0.02，Ce02、Y302、La2O3 其中之一或二種以上的組合< 0.8%，余量 Fe，和不可避免的雜質(zhì)元素； 3)改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料配制:材料化學成分質(zhì)量百分比為:原位合成TiC混合粉末30?60%，粘接相基體合金粉末70?40% ； (2)制備工藝步驟是: 1)材料配制:將鈦(Ti)粉和石墨粉按C/Ti原子比為0.8?1.0進行配制成所需比例的原位合成TiC混合粉末；將鑰鐵粉，鉻鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，根據(jù)所需的化學成分質(zhì)量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，膠體石墨，Ce02、Y302、La203其中之一或二種以上的組合原料按粘接相金屬材料化學成分質(zhì)量百分比所需比例配制，其中錳碳比> 3 ； 2)根據(jù)鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料所需的TiC顆粒和基體材料的比例將兩種材料進行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1?10:1，加入無水乙醇作介質(zhì)和0.5 — 1%PVA作為冷卻劑和分散劑，采用震動球磨機球磨48 - 72小時； 3)將料漿干燥后過篩，然后在350?500MPa壓力下壓制成所需尺寸形狀的產(chǎn)品； 4)在真空條件下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350°C?1400°C，燒結(jié)工藝為:加熱速度10V /min，燒結(jié)時間為30?40min，保溫I?3小時后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的高錳鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改性高錳鋼基TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其特征在于:所用原材料為鈦粉，鉻鐵粉，鑰鐵粉，釩鐵粉，錳鐵粉，硅鐵粉，鐵粉、鎳粉，膠體石墨，CeO2, Y3O2, La2O3其中之一或三種，PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下。
【文檔編號】C22C32/00GK104294073SQ201410488139
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】邵慧萍, 丁剛, 丁家偉, 印杰, 施孟達 申請人:江蘇匯誠機械制造有限公司