CN102605273B

CN102605273B - 一种钢结硬质合金及其制备方法

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Publication number: CN102605273B
Application number: CN 201210104964
Authority: CN
Inventors: 李智勇
Original assignee: CHANGSHA WEISITAN METALLURGY PRODUCTS Co Ltd
Current assignee: CHANGSHA WEISITAN METALLURGY PRODUCTS Co Ltd
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: CN102605273A

Abstract

本发明提供了一种钢结硬质合金，包括：1.5wt％～6.0wt％的难熔碳化物，1.0wt％～3.0wt％的WS₂，1.0wt％～3.0wt％的C，0.1wt％～0.5wt％的Mn，10.0wt％～18.0wt％的Cr，1.0wt％～5.0wt％的Mo，大于零且小于等于1.8wt％的Si，大于零且小于等于5.0wt％的Ni，余量为铁。本发明还提供了上述钢结硬质合金的制备方法。本发明提供的钢结硬质合金中添加了难熔碳化物、二硫化钨、碳和铬等原料，并且采用粉末冶金烧结工艺和热处理工艺，提高了钢结硬质合金的强度和硬度，提高了其耐磨性，延长了其作为搅拌轴耐磨套的使用寿命。

Description

一种钢结硬质合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属领域，尤其涉及一种钢结硬质合金及其制备方法。

背景技术

随着科学技术和现代工业的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，受摩擦的零件被磨损的速度也越来越快，其使用寿命成为影响生产效率的主要因素。尽管材料磨损很难引起金属工件灾难性的危害，但其所造成的能源和材料的消耗是十分惊人的。因此，研究和发展耐磨材料以减少材料的磨损，受到了人们越来越多的关注。

耐磨材料是新材料领域的核心，是信息技术、生物技术和能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，同时也对改造某些传统产业起着重要作用。近年来，耐磨材料的研发和实际应用取得了重大进展，其经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁到高铬铸铁的几个阶段，目前已发展为耐磨钢和耐磨铸铁两大类。耐磨材料较多的应用于工程机械领域。泵送机械是工程机械的常用设备，而泵送机械中的搅拌轴耐磨套的耐磨性直接影响着泵送机械搅拌机构的使用寿命。泵送机械中的搅拌轴耐磨套以锡锌铜、轴承钢、高铬铸铁或高速钢为原料，并采用镀硬铬、渗碳淬火或表面氮化等工艺制备，但在使用过程中搅拌轴耐磨套耐磨性较低，其使用寿命较短。

申请号为201010171962.5的中国专利文献公开了一种高速钢及其生产工艺，其公开的高速钢包括：1.0wt％～1.4wt％的C，3.8wt％～4.2wt％的Cr，4.8wt％～5.2wt％的Mo，6.3wt％～6.5wt％的W，8.2wt％～8.4wt％的Co，2.3wt％～3.0wt％的V，1.04wt％～1.5wt％的Nb，0.2wt％～0.4wt％的Si，0～0.03wt％的S，0～0.03wt％的P，0～0.4wt％的Mn，余量的Fe及不可避免的杂质；其生产工艺包括：(1)配料工序；(2)熔化工序；(3)雾化沉积工序；(4)空冷工序；(5)退火工序；(6)热锻工序；(7)淬火回火工序。此专利公开的高速钢生产工艺尽管一定程度提高了其强度、硬度和耐磨性，但是，将其用于工程泵送机械的搅拌轴耐磨套，在实际应用中搅拌轴耐磨套耐磨性偏低，极易出现磨损，缩短了耐磨套的使用寿命。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种具有良好耐磨性的钢结硬质合金及其制备方法。

本发明公开了一种钢结硬质合金，包括：

1.5wt％～6.0wt％的难熔碳化物；

1.0wt％～3.0wt％的WS₂；

1.0wt％～3.0wt％的C；

0.1wt％～0.5wt％的Mn；

10.0wt％～18.0wt％的Cr；

1.0wt％～5.0wt％的Mo；

大于零且小于等于1.8wt％的Si；

大于零且小于等于5.0wt％的Ni；

余量为铁。

优选的，所述难熔碳化物为WC、TiC、VC、NbC、Cr₃C₂和SiC中的一种或几种。

本发明还公开了一种钢结硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

a)将如下成分的原料混合，得到混合粉末：1.5wt％～6.0wt％的难熔碳化物粉，1.0wt％～3.0wt％的二硫化钨粉；1.0wt％～3.0wt％的碳粉，0.1wt％～0.5wt％的锰粉，10.0wt％～18.0wt％的铬粉，1.0wt％～5.0wt％的钼粉，大于零且小于等于1.8wt％的硅粉，大于零且小于等于5.0wt％的镍粉，余量为铁粉；

b)将所述混合粉末加压成型，得到钢结硬质合金坯体；

c)将所述钢结硬质合金坯体烧结，烧结温度为1130℃～1310℃；

d)将步骤c)得到的钢结硬质合金坯体进行淬火处理和回火处理，得到钢结硬质合金。

优选的，所述难熔碳化物粉为WC粉、TiC粉、VC粉、NbC粉、Cr₃C₂粉和SiC粉中的一种或几种。

优选的，所述铁粉的粒度为100目～200目，所述碳粉的粒度为300目～400目，所述难熔碳化物粉的粒度为300目～600目，所述锰粉、铬粉、钼粉、硅粉和镍粉的粒度分别为200目～300目。

优选的，步骤a)中所述混合的混合时间为60min～180min。

优选的，步骤b)中所述加压的压力为700MPa～900MPa。

优选的，步骤c)中所述烧结在真空中烧结。

优选的，步骤d)中所述淬火处理的温度为800℃～1100℃。

优选的，步骤d)中所述回火处理的温度为200℃～600℃。

本发明提供了一种钢结硬质合金，包括：1.5wt％～6.0wt％的难熔碳化物，1.0wt％～3.0wt％的WS₂，1.0wt％～3.0wt％的C，0.1wt％～0.5wt％的Mn，10.0wt％～18.0wt％的Cr，1.0wt％～5.0wt％的Mo，大于零且小于等于1.8wt％的Si，大于零且小于等于5.0wt％的Ni，余量为铁。在钢结硬质合金中添加了难熔碳化物，其作为钢结硬质合金的硬质相，提高了合金的强度和硬度；WS₂作为减磨剂添加到合金中，减小了合金的摩擦系数，使合金具有良好的自润滑性；碳是扩大γ相区的元素，固溶于铁中起固溶强化作用，同时与铁元素形成碳化物，提高基体的强度和硬度；添加的铬缩小Fe的γ相区，并与Fe形成连续固溶体，也形成金属间化合物σ相(FeCr)和多种碳化物，进一步提高了基体的强度和硬度。

本发明在钢结硬质合金的制备过程中，以难熔碳化物粉、二硫化钨粉、铬粉、碳粉、锰粉、硅粉和钼粉为原料，经过粉末冶金烧结工序和热处理工序后得到了钢结硬质合金。在粉末冶金烧结过程中，微细硬质颗粒均匀分散于基体中，提高了基体的强度和硬度；随后的热处理实现了马氏体转变，同时提高了基体材料的淬硬性，获得了组织均匀的基体，提高了钢结硬质合金的强度、硬度和耐磨性。本发明制备的钢结硬质合金应用于工程泵送机械的搅拌轴耐磨套，将其与聚氨酯等高分子材料对偶摩擦时，表现出了良好的自润滑性能，提高了耐磨套的耐磨性，延长了其使用寿命。实验证明，本发明钢结硬质合金的硬度为45HRC～65HRC，抗拉强度为150kg/mm²～180kg/mm²，抗拉强度高于300kg/mm²，冲击韧性为0.6kg/cm²～0.9kg/cm²。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

钢结硬质合金，也称钢结合金，其是以难熔金属硬质化合物为硬质相，以钢作为粘结相制成的硬质合金。钢结合金硬质相在合金中所占比例不低于30wt％。本发明公开了一种新型的钢结硬质合金，其以少量的难熔碳化物(低于6wt％)为硬质相，以高含量碳、铬钢作粘结相，用粉末冶金方法制成，也可以将此种合金命名为类钢结硬质合金。

本发明实施例公开了一种钢结硬质合金，包括1.5wt％～6.0wt％的难熔碳化物，1.0wt％～3.0wt％的WS₂，1.0wt％～3.0wt％的C，0.1wt％～0.5wt％的Mn，10.0wt％～18.0wt％的Cr，1.0wt％～5.0wt％的Mo，大于零且小于等于1.8wt％的Si，大于零且小于等于5.0wt％的Ni，余量为铁。

C可以强化氧化物的还原，其固溶于铁中起固溶强化的作用，同时也与铁元素和硅元素形成碳化物，增加材料的耐磨性。本发明提供的钢结硬质合金的C含量为1.0wt％～3.0wt％，优选为1.5wt％～3.0wt％。

Mn提高基体的抗氧化性，使基体材料不易被氧化。本发明提供的钢结硬质合金的Mn含量为0.1wt％～0.5wt％，优选为0.25wt％～0.5wt％。

Cr有效提高基体的淬透性，是实现马氏体转变的关键元素。本发明提供的钢结硬质合金的Cr含量为10.0wt％～18.0wt％，优选为13.0wt％～16.0wt％。

难熔碳化物作为硬质相，有效提高基体的强度和硬度。本发明提供的钢结硬质合金的难熔碳化物的含量为1.5wt％～6.0wt％，优选为3.0wt％～6.0wt％。上述难熔碳化物优选为WC、TiC、VC、NbC、Cr₃C₂和SiC中的一种或几种，更优选为WC、TiC或NbC。

WS₂作为减磨剂添加到合金中，使合金具有较低的摩擦系数，合金在与聚氨酯等高分子材料对偶摩擦时，表现出良好的自润滑性。本发明提供的钢结硬质合金中的WS₂的含量为3.0wt％～6.0wt％，优选为3.0wt％～5.0wt％。

本发明提供了一种钢结硬质合金，在合金中添加了难熔碳化物，其作为钢结硬质合金的硬质相，有效地提高钢结硬质合金的强度和硬度；WS₂作为减磨剂添加到合金中，减小了合金的摩擦系数，使合金具有良好的自润滑性；碳是扩大γ相区的元素，其固溶于铁中起固溶强化作用，同时与铁元素形成碳化物，提高基体的强度和硬度；铬是缩小Fe的γ相区的元素，并与Fe形成连续固溶体，也可形成金属间化合物σ相(FeCr)和多种碳化物，提高基体的强度和硬度。在本发明的钢结硬质合金中添加了难熔碳化物、二硫化钨、碳和铬等成分，提高了基体的强度和硬度，使钢结硬质合金具有良好的耐磨性。

本发明还提供了一种钢结硬质合金的制备方法，包括以下步骤：

a)将如下成分的原料混合，得到混合粉末：1.5wt％～6.0wt％的难熔碳化物粉，1.0wt％～3.0wt％的二硫化钨粉，1.0wt％～3.0wt％的碳粉，0.1wt％～0.5wt％的锰粉，10.0wt％～18.0wt％的铬粉，1.0wt％～5.0wt％的钼粉，大于零且小于等于1.8wt％的硅粉，大于零且小于等于5.0wt％的镍粉，余量为铁粉；

b)将所述混合粉末加压成型，得到钢结硬质合金坯体；

c)将所述钢结硬质合金坯体烧结，烧结温度为1130℃～1310℃；

步骤a)为将原料混合的过程，为了使各种原料充分混合，上述混合的时间优选为60min～180min。本发明对所述混合的方式没有特殊限制，可以为球磨混合等本领域人员熟知的方法。为了使基体具有均匀细小的组织，作为优选方式，所述铁粉的粒度为100目～200目，所述碳粉的粒度为300目～400目，所述难熔碳化物粉的粒度为300目～600目，所述锰粉、铬粉、钼粉、硅粉和镍粉的粒度分别为200目～300目。作为优选方案，本发明在原料中还添加了5wt％～8wt％的脱模剂，使混合粉末在加压过程中易于成型，同时使坯体脱离模具时不造成对模具的损害。

在将上述原料混合后，随后将所述混合粉末加压成型，以便进行后续操作。步骤b)为混合粉末加压的过程，压力优选为700MPa～900MPa，更优选为800MPa。对于加压的方式可以选择本领域技术人员熟知的方式，如将混合粉末置于钢模具中加压，得到成型的坯体。测试结果表明，加压后钢结硬质合金坯体的密度为6.5g/cm³～7.0g/cm³。

为了使钢结硬质合金具有较高的强度和硬度，需要将所述钢结硬质合金坯体进行烧结以及热处理。步骤c)为钢结硬质合金坯体烧结的操作，为了防止坯体在烧结过程中被氧化，将所述钢结硬质合金坯体优选置于真空中烧结。所述烧结的温度控制为1130℃～1310℃，若烧结温度过高，则坯体变形量过大，而无法进行后续加工，若烧结温度过低，则坯体的致密度不高，且会影响坯体的强度和硬度。测试结果表明，烧结后钢结硬质合金坯体的致密度为6.8g/cm³～7.2g/cm³。

最后将烧结后的钢结硬质合金坯体进行热处理，使其基体组织发生相变，有利于得到组织均匀细小，耐磨性更好的钢结硬质合金。步骤d)为烧结后的钢结硬质合金坯体热处理的过程，所述热处理包括淬火处理和回火处理，所述淬火处理的温度优选为800℃～1100℃，所述回火处理的温度优选为200℃～600℃。所述烧结后的钢结硬质合金进行热处理后得到了组织均匀的钢结硬质合金，强度和硬度均得到了提高，获得了综合性能较好的金属材料。上述淬火处理的冷却环节，可以是水冷或者油冷，对此本发明并无特别限制。同样上述回火处理的冷却环节，可以是将坯体在加热炉中冷却到室温，或者在空气中冷却，对此本发明并无特别的限制。

本发明在制备钢结硬质合金的过程中，经过粉末冶金烧结工序和热处理工序后得到了钢结硬质合金。在粉末冶金烧结过程中，微细硬质颗粒均匀分散于基体中，有助于提高基体的强度和硬度；随后的热处理实现了马氏体转变，同时提高了基体材料的淬硬性，获得了组织均匀的基体，提高了钢结硬质合金的强度、硬度和耐磨性。本发明的钢结硬质合金应用于工程泵送机械的搅拌轴耐磨套，将其与聚氨酯高分子材料对偶摩擦时，具有良好的自润滑性能，提高了耐磨套的耐磨性，延长了其使用寿命。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的钢结硬质合金进行详细介绍，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

(1)将1.5wt％的碳粉，0.8wt％的硅粉，0.25wt％的锰粉，13.0wt％的铬粉，1.0wt％的钼粉，0.5wt％的镍粉，3.0wt％的碳化钨粉，3.0wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加800MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1180℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为1000℃，淬火后进行回火处理，回火温度为200℃，得到钢结硬质合金。

将按照上述方法制备的钢结硬质合金进行性能测试，结果参见表1。

实施例2

(1)将1.5wt％的碳粉，0.8wt％的硅粉，0.25wt％的锰粉，13.0wt％的铬粉，1.0wt％的钼粉，0.5wt％的镍粉，3.0wt％的碳化钛粉，2.0wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加900MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1310℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为800℃，淬火后进行回火处理，回火温度为200℃，得到钢结硬质合金。

实施例3

(1)将1.5wt％的碳粉，0.8wt％的硅粉，0.25wt％的锰粉，13.0wt％的铬粉，1.0wt％的钼粉，1.5wt％的镍粉，1.5wt％的碳化钛粉，3.0wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加700MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1200℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为900℃，淬火后进行回火处理，回火温度为400℃，得到钢结硬质合金。

实施例4

(1)将3.0wt％的碳粉，0.8wt％的硅粉，0.50wt％的锰粉，13.0wt％的铬粉，3.0wt％的钼粉，2.5wt％的镍粉，4.0wt％的碳化钨粉，2.0wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加850MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1250℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为1100℃，淬火后进行回火处理，回火温度为600℃，得到钢结硬质合金。

实施例5

(1)将1.5wt％的碳粉，1.8wt％的硅粉，0.25wt％的锰粉，13.0wt％的铬粉，3.0wt％的钼粉，0.5wt％的镍粉，5.0wt％的碳化铌粉，1.5wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加750MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1250℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为950℃，淬火后进行回火处理，回火温度为600℃，得到钢结硬质合金。

实施例6

(1)将1.2wt％的碳粉，0.8wt％的硅粉，0.25wt％的锰粉，16.0wt％的铬粉，1.0wt％的钼粉，0.5wt％的镍粉，2.5wt％的碳化钨粉，3.0wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加750MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1200℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为900℃，淬火后进行回火处理，回火温度为500℃，得到钢结硬质合金。

实施例7

(1)将1.5wt％的碳粉，1.0wt％的硅粉，0.25wt％的锰粉，14.0wt％的铬粉，1.0wt％的钼粉，0.5wt％的镍粉，3.0wt％的碳化钨粉，3.0wt％的二硫化钨粉和余量的铁粉混合，得到混合粉末；

(2)将步骤(1)得到的混合粉末施加790MPa的压力，得到坯体；

(3)将步骤(2)得到的坯体在真空中烧结，烧结温度为1300℃；

(4)将步骤(3)得到的坯体进行淬火处理，淬火温度为1000℃，淬火后进行回火处理，回火温度为500℃，得到钢结硬质合金。

表1实施例制备的钢结硬质合金性能测试结果

由表1可知，本发明提供的钢结硬质合金具有较高的硬度、强度和冲击韧性，适用于搅拌轴耐磨套。本发明钢结硬质合金的硬度为45HRC～65HRC，抗拉强度为150kg/mm²～180kg/mm²，抗拉强度高于300kg/mm²，冲击韧性为0.6kg/cm²～0.9kg/cm²。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种钢结硬质合金，其特征在于，由以下组分组成：

1.5wt%～6.0wt%的难熔碳化物；

1.0wt%～3.0wt%的WS₂；

1.0wt%～3.0wt%的C；

0.1wt%～0.5wt%的Mn；

10.0wt%～18.0wt%的Cr；

1.0wt%～5.0wt%的Mo；

大于零且小于等于1.8wt%的Si；

大于零且小于等于5.0wt%的Ni；

余量为铁；

所述难熔碳化物为WC、TiC、VC、NbC、Cr₃C₂和SiC中的一种或几种。

2.一种钢结硬质合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）将如下成分的原料混合，得到混合粉末：1.5wt%～6.0wt%的难熔碳化物粉，1.0wt%～3.0wt%的二硫化钨粉，1.0wt%～3.0wt%的碳粉，0.1wt%～0.5wt%的锰粉，10.0wt%～18.0wt%的铬粉，1.0wt%～5.0wt%的钼粉，大于零且小于等于1.8wt%的硅粉，大于零且小于等于5.0wt%的镍粉，余量为铁粉；所述难熔碳化物粉为WC粉、TiC粉、VC粉、NbC粉、Cr₃C₂粉和SiC粉中的一种或几种；

b）将所述混合粉末加压成型，得到钢结硬质合金坯体；

c）将所述钢结硬质合金坯体烧结，烧结温度为1130℃～1310℃；

d）将步骤c）得到的钢结硬质合金坯体进行淬火处理和回火处理，得到钢结硬质合金；

所述铁粉的粒度为100目～200目，所述碳粉的粒度为300目～400目，所述难熔碳化物粉的粒度为300目～600目，所述锰粉、铬粉、钼粉、硅粉和镍粉的粒度分别为200目～300目；

步骤a）中所述混合的混合时间为60min～180min；

步骤b）中所述加压的压力为700MPa～900MPa；

步骤c）中所述烧结在真空中进行；

步骤d）中所述淬火处理的温度为800℃～1100℃；所述回火处理的温度为200℃～600℃。