一種TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，特別是用反應(yīng)燒結(jié)法制取一種TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]鋼結(jié)硬質(zhì)合金(以下簡(jiǎn)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(dāng)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(jī)械性能，主要表現(xiàn)在與高鈷硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)哪湍バ裕慌c鋼相比較高的剛性、彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；與硬質(zhì)合金相比較高的韌性；以及良好的自潤(rùn)滑性和高的阻尼特性等。3)優(yōu)異的化學(xué)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(lái)愈占據(jù)重要的地位，且在金屬加工、五金電子、汽車、機(jī)械、冶金、化工、船舶、航空航天以及核工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(jì)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(chǎng)推廣使用。但其合金的強(qiáng)韌性仍較低，遠(yuǎn)不能滿足愈來(lái)愈多的承受沖擊力較大，沖擊速度較高情況下的情況下使用。因此開(kāi)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(qiáng)韌性是重點(diǎn)的研究方向。
[0004]TiC具有硬度高、抗氧化、耐腐蝕、比重小、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，是一種比較理想的鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬質(zhì)相材料。V和Ti屬于同一周期的過(guò)渡金屬，且原了序數(shù)僅相差1，VC也具有高熔點(diǎn)、高硬度和高的化學(xué)穩(wěn)定性，關(guān)于VC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的研究近年來(lái)也引起一些研究者的興趣。
[0005]目前，制備鋼結(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(shí)際應(yīng)用需要選擇適當(dāng)?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(rùn)濕性不良、界面易受污染等，因此通過(guò)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(diǎn)，對(duì)于要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合往往需經(jīng)過(guò)鍛造或熱等靜壓處理，材料的性價(jià)比進(jìn)一步降低。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(shè)計(jì)，于一定條件下在基體金屬內(nèi)原位反應(yīng)生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的硬質(zhì)相的新型復(fù)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)具有增強(qiáng)相與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度高，增強(qiáng)相的種類、大小、分布和數(shù)量可以控制，制備工藝簡(jiǎn)單，原位生產(chǎn)的增強(qiáng)相不受污染，界面結(jié)合強(qiáng)度高，成本低，材料的強(qiáng)度和彈性模量高等特點(diǎn)，是鋼結(jié)硬質(zhì)合金制備技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
[0006]但原位合成法也有諸多不足:增強(qiáng)顆粒只限于特定基體中的熱力學(xué)穩(wěn)定的粒了 ；生成的相比較復(fù)雜、不易控制；顆粒大小、形狀受形核、長(zhǎng)大過(guò)程的動(dòng)力學(xué)控制，且原位顆粒形成以后，在鑄造過(guò)程中常會(huì)偏析于枝晶問(wèn)隙或晶粒邊界，對(duì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是必須進(jìn)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，用以提高TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金的性能。
[0008]本發(fā)明的一種TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其采用以下技術(shù)方案:
(1)所用原材料為鈦粉，釩鐵粉、鉻鐵粉，鎢鐵，鑰鐵粉，硼鐵粉，鐵粉，鈮鐵，鎳粉，銅粉，硅鐵粉，錳鐵粉，膠體石墨，Ce02、Y302、La203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)和石墨粉按C/Ti的原子摩爾比為0.7?1.1進(jìn)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(xué)成分質(zhì)量百分比為:C0.2?0.6%，Cr5.0 ?7.0%, W2.5 ?3.0%, Mol.5 ?3.0%, V1.5 ?2.5%, Nb0.5 ?1.0%、S1.3 ?1.0%,Mn0.3 ?1.0%，Β1.4 ?2.5%, Cu0.3 ?1.0%,Ni0.8 ?2.0%，S 彡 0.02，P ( 0.02，Ce02、Y302、La203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)TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料配制:材料化學(xué)成分質(zhì)量百分比為:原位合成TiC混合粉末30?50%，粘接相基體合金粉末70?50% ；
(3)制備工藝步驟是:
1)材料配制::將鈦(Ti)和石墨粉按C/Ti的原子摩爾比為0.7?1.1進(jìn)行配制成原位合成TiC混合粉末；將鉻鐵粉、鑰鐵粉，硅鐵粉，錳鐵粉，硼鐵粉根據(jù)所需的化學(xué)成分質(zhì)量百分比換算，連同鐵粉、鎳粉，銅粉，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(xué)成分質(zhì)量百分比所需比例配制；
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(jìn)行混合，裝入球磨桶中，裝入鋼球，球料比5:1?10:1，加入無(wú)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(dòng)球磨機(jī)球磨48?72小時(shí)；
3)將料漿干燥后過(guò)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?1420°C，燒結(jié)工藝為:加熱速度10°C/min，燒結(jié)時(shí)間為30?40min，保溫1?3小時(shí)后，隨爐冷卻到室溫，得到所需成分的耐熱鋼結(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(diǎn):
1、本發(fā)明以價(jià)格低廉的欽粉、I凡鐵粉、鐵粉、絡(luò)鐵粉、鑰鐵粉，??圭鐵粉，猛鐵粉，砸鐵粉，鎳粉，銅粉，膠體石墨為原料，將原位反應(yīng)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?jǐn)?shù)為30%?50%的TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金。其主要特點(diǎn)是:①由于鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的TiC是通過(guò)燒結(jié)過(guò)程中的反應(yīng)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(dá)到，甚至不能達(dá)到的細(xì)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(qiáng)顆粒尺寸細(xì)小，表面無(wú)尖角，且在基體中分布均勻，從而提高了材料的抗彎強(qiáng)度MPa和各項(xiàng)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(lái)，工藝簡(jiǎn)便、成本低。④由于原材料的價(jià)格低廉，可以大大降低成本。同時(shí)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。⑤由于釩的引入，使TiC顆粒的形態(tài)比Ti規(guī)則，TiC增強(qiáng)相顆粒的形態(tài)更加圓整。
[0010]本發(fā)明采用高能球磨方式提高粉末的活性，并且達(dá)到碳化鈦和釩與鋼基體粉末機(jī)械合金化的程度，從而提高碳化鈦和釩與鋼基體在燒結(jié)過(guò)程中的親和性，提高最終合金的強(qiáng)韌性。此外，本發(fā)明中采用了價(jià)格較低的鑰鐵合金作為原料，其在燒結(jié)過(guò)程中進(jìn)一步改善碳化鈦和釩與鋼基體的潤(rùn)濕性，提高合金的強(qiáng)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(xué)性能，而且過(guò)程簡(jiǎn)便，節(jié)約成本。
[0011]2、本發(fā)明通過(guò)添加Ce02、Y302、La203抑制了晶粒的長(zhǎng)大，并起到彌散強(qiáng)化的作用。由于Ce02、Y302、La203化學(xué)性質(zhì)活潑，在燒結(jié)溫度下，Ce02、Y302、La203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(rùn)濕性的改善，從而有利于致密化的進(jìn)程，達(dá)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(qiáng)度的提高。Ce02、Y302、La203粉含量介于0.2%和0.5%之間，可起到稀土強(qiáng)化作用，因此本發(fā)明的鋼結(jié)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和致密度得以提高，抗彎強(qiáng)度可達(dá)到1700MPa以上，致密度達(dá)到97.4%以上，硬度達(dá)90HRA左右，耐磨性分別是高鉻鑄鐵的5倍和6.5倍。
[0012]3、本發(fā)明采用高能球磨方式提高粉末的活性，并且達(dá)到碳化鈦與鋼基體粉末機(jī)械合金化的程度，從而提高碳化鈦和釩與鋼基體在燒結(jié)過(guò)程中的親和性，提高最終合金的強(qiáng)韌性。此外，本發(fā)明中采用了價(jià)格較低的鐵合金作為原料，并且通過(guò)添加一定量的鑰與硼后，其在燒結(jié)過(guò)程中進(jìn)一步改善碳化鈦和釩與鋼基體的潤(rùn)濕性，能夠抑制鋼結(jié)硬質(zhì)合金中原位反應(yīng)合成的硬質(zhì)相TiC長(zhǎng)大，使TiC顆粒尺寸減小，分布均勻。由于加入鑰與硼后改善了粘結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相TiC的潤(rùn)濕性，有利于液相在燒結(jié)過(guò)程中對(duì)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(xì)小，組織均勻，從而使其硬度和抗彎強(qiáng)度和強(qiáng)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(xué)性能，而且過(guò)程簡(jiǎn)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(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案:
實(shí)施例1
一種TiC高硼低合金高速鋼基鋼結(jié)硬質(zhì)合金的制備方法，其采用以下技術(shù)方案:
(1)所用原材料為欽粉，f凡鐵粉、絡(luò)鐵粉，鑰鐵粉，娃鐵粉，猛鐵粉，砸鐵粉，鐵粉，銀粉，銅粉，膠體石墨，Ce02, PVA，粉末粒度均在10?50 μ m以下；