专利名称：一种制备硬质合金/钢层合复合材料的颗粒熔浸铸造工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明属于硬质合金/钢层合复合材料的制备技术领域，特别是提供了一种用金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒，通过熔浸铸造的新工艺可制备出任何形状，任何厚度，并有基体钢芯强化的硬质合金/钢双层或多层层合复合材料工艺。
背景技术：
硬质合金的特点是具有高硬度(HRA7(T93)，高耐磨性和极高的抗压强度彡500kg/mm2，特别是在很高的温度下(< 1100°C )仍能保持很高的硬度和抗压强度。因此近90年来硬质合金被广泛的应用在机械加工刀具、石油开采、矿业开采的凿岩工具，交通运输、煤炭开采、人造金刚石合成、计算机行业、纺织、玻璃、金属管线材加工等几乎在国民经济各部门中都得到了广泛应用。但是硬质合金材料最大的弱点是脆性较大(抗弯强度较低)。近30年来，材料研究工作者们采用了多种途径，将硬质合金与各种钢材进行层合复合工艺及材料性能的研究，其中主要有(1)复合电镀颗粒沉积工艺；(2)各种热喷涂工艺，其中包括火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂等；(3)复合喷射成型工艺；(4)爆炸复合工艺；(5)压力扩散结合工艺；(6)铜液浸渗工艺等。前两种工艺均属于钢材的表面改性技术，由于所得的硬质合金涂层一般很薄(< 2 mm)密度较低，与基体钢表面的结合强度低， 故涂层合金不能在较大的应力条件下使用，特别是硬质合金涂层。因材质的膨胀系数与基体相差较大(物理相容性较差)故很容易剥落。第三种复合喷射成型工艺，近20年来我国北京科技大学曾开发了一种复合喷射成型技术(本申请者开发的技术)，其原理为采用一种特制的高速气流超声雾化喷嘴，将熔化的高速钢液喷成为由高温液滴组成的雾化锥体，与此同时在雾化锥体周围，用另一环形喷嘴向高速钢的雾化锥体内喷入WC粉末颗粒，经高温混合后共同沉积在基体钢表面，从而形成为表层是高速钢粘结的WC硬质合金层并同时与基体钢表面钎焊烧结成一体，即可制成(硬质合金/钢)层合复合材料或部件。这种技术目前正处在研究和完善阶段；第四种爆炸复合工艺，主要因爆炸条件所限，很难推广，且控制较难、成品率较低；第五种压力扩散结合工艺，这种工艺对校厚的平板状(硬质合金/钢)层合复合材料较为适用，对其他复杂形状的制品较难适用；第六种铜液浸渗工艺是50年前在粉末冶金工业中被用来制造铜钨触头材料和火箭用发汗材料的一种常规工艺。在8年前， 美国休斯顿石油钻头公司又用这种铜浸渗工艺制备了石油开采用海底钻头并迅速地占领了整个欧洲和美国市场。遗憾的是这种工艺虽然简单，但在合金成分的调整(包括碳化物颗粒的成分和金属液的成分)上以及铸造部件的复杂性上都没有广泛的适用性，更不能使用强度、硬度更佳的黑色金属液体进行浸渗工序。为了改进上述各种工艺的缺点，本发明采用了一种用金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒物，充填铸型模腔以解决形状复杂部件的造型问题，然后在一定温度下，用高温金属液体进行熔浸烧结和钎焊，从而可用简单的工序制备出(硬质合金/钢)层合复合材料或部件。
发明内容
本发明的技术原理是提供了一种颗粒熔浸铸造工艺制备(硬质合金/钢)层合复合材料或部件的技术，其主要工艺步骤如下将颗粒状的金属碳化物或硬质合金粒状物，充填到所需形状的模腔与基体钢芯的夹层空间中，形成为具有特定外形、特定三维尺寸和堆积密度的颗粒堆积体，在设定的预热温度下，将某种选定的具有浸润性的金属液(如铜液，高锰钢液、超高强度钢液)等注入到夹层空间的颗粒堆积体中利用金属液体对金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒良好的浸润性和高温金属液携带的充足热量，在很短的时间内将夹层空间内所有金属碳化物颗粒迅速浸透、烧结并迅速形成一个整体。更重要的是与此同时，新生的硬质合金层与基体钢芯表面也完成了钎焊过程，最终可形成具有所需外形，表面极为坚硬、耐磨的内部又有极高强度的(硬质合金/钢)层合复合材料或部件。基体钢芯的材质， 一般均选用廉价的(T45 )碳钢、高锰钢和低合金高强度钢。铸造模具可使用石墨模(简单形状)、自凝耐火材料耐高温塑造模(复杂外形)所使用的金属碳化物颗粒也可在很大的范围内自由选择，如莱利特(铸造碳化钨)颗粒，YG、YT类硬质合金碎屑，碳化硅粗颗粒，自蔓燃合成碳化钛粗颗粒粉，以及部分改性的氧化铝，氧化锆陶瓷颗粒粉等。粉末的粒度组成会直接影响颗粒堆积体的充填密度。颗粒形状直接会影响硬质合金铸造层的耐磨性和切削性能。确切来说球形颗粒耐磨性较好，多使用在平面抗磨损部件上，如坦克履带，轧钢辊、破碎辊和抗冲击、抗穿透装甲部件。带尖角的碎屑状颗粒，适用于凿岩、切削等使用条件，如石油井勘探用钻头，矿山开采钻头胎体合金等。本发明的具体技术方案如下一种制备硬质合金/钢层合复合材料的颗粒熔浸铸造工艺，其特征在于所述工艺包括如下步骤
1. 1模具准备包括型腔模和基体钢芯的设计和制造，所用模具的材料和加工方法根据被铸造部件的形状、硬质合金层厚度及钢芯的合金成分而定；型腔模和基体钢芯制好后，转入烘干和装配；
1. 2颗粒充填将颗粒状的金属碳化物或硬质合金粒状物，充填到所需形状的型模腔与基体钢芯的夹层空间中，形成为具有特定外形、特定三维尺寸和堆积密度的颗粒堆积体；
1. 3模具预热及气体保护将充填好的模具，放入炉内预热、升温； 1.4熔浸浇注将选定的具有浸润能力的金属液注入到夹层空间的颗粒堆积体中； 1. 5冷却脱模； 所述步骤1. 3,1. 4,1. 5均在队或Ar的保护下进行。进一步的所述的金属碳化物颗粒为碳化钨、碳化钛、碳化钨-碳化钛固溶体，碳化硅、碳化硼、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化钽、碳化铌、碳化铪颗粒状物；所述的硬质合金颗粒物为YG、YT类硬质合金颗粒物、粒径为0. 05飞mm，或相同粒径的硬质合金碎屑。进一步的所述金属液为铜或铜合金液、高锰钢液、或超高强度钢液。进一步的所述步骤1. 2中，充填物颗粒状的金属碳化物或硬质合金粒状物的相对密度为50 75%。
进一步的所述步骤1.3、1.4、1.5中，可以再通入体积分数为广5%、纯度为 99. 69Γ99. 9%的工业普H2气体，进行活化性保护。进一步的所述模具采用石墨模或自凝耐火材料塑造模。本发明的优点；
1、从生产技术上提供了一种通过颗粒熔浸铸造的简单工艺能够快速可靠的制成具有任何外形，而厚度不受任何限制的(硬质合金/钢)层合复合材料或部件。 特别是工程机械中，铲土机的牙齿合金部件，隧道盾构机的整体硬合金牙齿部件及侧翼防护板件。打井机用的整体硬质合金钻头、石油钻头(牙轮钻和刮刀钻)、海底石油钻头(包括金刚石聚晶颗粒孕镶钻头、坦克履带及主动轮耐磨层合金、高压耐磨零部件等。2、硬面层及基体钢芯的材质成份可在很大范围内自由调整，打破了只能用低强度的铜液熔浸铸造的限制。从而扩大了这种层合复合材料的应用范围。3、在投资较大，设备条件较好的情况下可生产超大型的冷轧轧辊或特种防护装甲部件。4、该工艺可完全消除层合材料的层间剪切应力(物理相容性较差)的难题， 同时可解决高应力使用条件下的层面剥落问题。5、这种层合复合材料具有较好的局部修复的能力和分段接续熔浸铸造的能力。6、在层合的外层合金层中，可制备成具有颗粒梯度、成份梯度、和性能各异的夹层或梯度合金材料。7、工艺简单设备投资少，产品市场广阔、风险小。适合于中小企业快速投产。
图1为某内层为管状、硬质合金层基体钢芯为T45钢管部件颗粒熔浸铸造示意图。图2为本发明的具体步骤示意图。图3为实施例1的工艺实施示意图。图4为实施例2的工艺实施示意图。
具体实施例方式附图1为简单示意的部件(内层为管状的硬质合金层，基体钢芯为T45钢管)的颗粒熔浸铸造示意图，图中1、中频感应炉的钢包；2、为金属液流；3、石墨模具；4、基体T45 钢管；5、硬质合金颗粒充填物；6、石墨芯杆。附图2中，模具准备主要包括型腔模和基体钢芯的设计和制造，所用模具的材料和加工方法一般要根据被铸造部件的形状，硬质合金层厚度及钢芯的合金成分而定，如形状简单的回旋体(园柱体，管，棒，球)等部件，一般采用石墨模。形状复杂非对称部件采用自凝耐火材料塑造模，该种模具可在< 1700°C的温度下使用。基体钢芯的材质一般用廉价的T45碳钢制造。钢芯的形状基本上与外形部件保持为相似形。模具和基体钢芯制好后，
5转入烘干和装配。
颗粒充填主要是将选配好的颗粒物充填到型腔模与钢芯之间的空腔内，在充填时可采用振动台，振动充填捣实棒等设备和工具，以便尽量提高颗粒充填物的密度
模具预热及气体保护将充填好的模具，放入有保护气体(N2)的炉内预热、升温并通入 N2气保护。模具和基体钢芯的预热目的一是弥补金属液携带热量不足的问题，二是改善金属液与颗粒表面之间的浸润性，加速浸透、排气和重排列过程。三是加速液-固相之间的均勻地相变反应(浸润、溶解、析出、重结晶等)。因预热工序十分重要而且预热温度必须严格设定。气体保护的目的是为了使金属碳化物颗粒表面及基体钢芯表面不被高温氧化。金属液熔炼高温金属液包括纯金属液⑶口铜、镍、铁液)和各种合金液(如黄铜、45 钢、高铬、高猛、高硅等铸铁、低合金高强度钢、高速钢等)。以上金属液可以使用现有的纯金属或合金进行重熔而制成，也可采用各种合金钢冶炼的方法进行冶炼。获得金属液后必须将金属液表面的渣皮清理干净或在倾注时，使用耐高温的陶瓷过滤器滤渣。熔浸浇注是将重熔或冶炼好的金属液注入到颗粒充填物中。冷却脱模和产品检查模具冷却应在气体保护下，使铸模完全冷却以防止铸件在降温时氧化。脱模方法要根据铸模情况而定。一般在使用自凝耐火塑造模时可直接打碎回收。而多次重复使用的石墨模具，因内壁使用脱模剂可用专门设备脱模。产品检验主要检查是否有未铸造好的部分(可返回修理)，同时可用超声回波探伤仪检查钢芯和硬面层间是否有空洞或裂纹。此外产品还需必要的表面清理或打磨。实施例1 ；制备一个外表面为硬质合金层面的园柱体，其外径Φ 100、层厚10mm、 高100mm，基体钢芯为T45碳钢。层合面处，外径Φ80 mm、尾杆段Φ100 mm、总高185mm， 平底。成品表面层硬度HRC68 70，应按下列步骤完成；
1、设计、制作、安装模具应按附图3制作和安装模具，其中13为基体钢芯，14为硬质合金碎屑颗粒(-40目)充填物，15为石墨模具，16为基体钢芯尾杆段，17为金属液漏斗。2、颗粒物充填将YG8牌号的硬质合金颗粒碎屑2.9 kg分批放入模具空腔内， 用振动装填棒将每次放入的充填物捣实，并陆续再装入颗粒物，不断捣实，在有条件的情况下，可在震动台上装填颗粒物，直至装到IOOmm高度，刮平并戴上浇注漏斗17。3、模具预热、气体保护将上述装好颗粒充填物的模具放入保护气体预热炉内，按设定温度(900°C )升温预热，并通入氮气保护，炉体上盖暂时关闭。4、用中频感应炉中的石墨坩埚将牌号为(6-6-3) (Sn6%，Ζη69 )，1^3%质量)的青铜合金1. 8-2 kg融化成铜液，并将铜液升温至1150°C保温。5、熔浸浇注当预热模具温度达到900°C，铜水温度达1150°C时，打开预热炉炉盖，将铜液倾注到浇注漏斗17中，进行熔浸浇注，待铜液完全渗入到颗粒充填物后，炉体降温，模具冷却。6、冷却脱模炉体断电降温后，待温度低于35°C时，模具出炉并进行脱模。—7、产品检查产品表面一般用钢丝刷清理，并检查表面是否有凹坑，裂纹等缺陷，否则转入修补。实施例2
制备一个硬质合金外层的球体，厚20mm，外径Φ200mm，内径Φ 160mm，基体钢芯为实心球体，材质为(T45)碳钢，基体钢球体外径Φ 160mm，有一杆状尾杆Φ IOOmm长^Omm。要求成品的外层合金硬度HRC68 — 72，耐磨抗冲击。可在300 下工作，上述产品应按下列步骤完成
1、设计、制造、安装模具、应按附图4制造和安装模具，其中18为金属液漏斗，材质为自凝耐火材料塑造，19为上半园溶浸铸造模，其下部的型腔为硬质合金层的上半园球体模，其周边有定位止口。上部有金属液漏斗18并用锥面定位安装，其下部有一小部分表面与19 形成球面型腔。20为模具的金属外壳上半部分。21为模具的下半金属外壳，上下用螺钉连接。22为颗粒充填物。23为基体钢芯。19、对为硬质层球形体的两个凹形半球面模具，两者的分型面在球体的最大直径处。模具的材质为耐高温自凝耐火塑造材料，主要为镁砂料， 凹形半球面的造型模可用塑料、木材、不锈钢板冲压的球形焊接件、泥塑(石膏)等制成球体的正型造型模。在下部凹形模的中心处开有基体钢芯的安装及定位孔，模具造好后，在烘箱内150°C，2小时烘干，待冷却后转到充填工序。2、安装钢芯、颗粒充填将钢芯的尾杆23插入下半模M的中心孔内，再将YG6牌号的硬质合金碎屑充填到下半型腔模与钢芯球体下部空间内，待充实填满后刮平，然后安装上半模并充填颗粒物。充满后，再戴上浇注漏斗，最后将少量颗粒物由漏斗中心孔加入， 以调整补充颗粒物的不足。这种充填工作最好在振动台上进行。颗粒物的粒度组成除与充填物的充填密度有关外，还与部件的形体空间复杂程度以及硬质层厚度有关。故在选配颗粒物的粒度组成时，应事先用与实体部件形体空间相似的或近似的容器来确定最高充填密度所对应的粒度组成数据。并严格按此数据配制YG6牌号的充填物颗粒状粉末。按照充填密度为68%时形体空间的体积为V=3923. 7cm3, YG6合金密度为14. 95g/cm3，则所用YG6合金的颗粒充填物为39. 29kg
3、模具预热、气体保护同实施例1中的3。4、金属液熔炼用中频感应炉将高碳合金铸铁12kg重熔，并在1300°C保温。5、熔浸浇注
当模具预热温度达到950°C，金属液温度达到1300°C时，打开预热炉炉盖缓慢地将金属液倾注到浇注漏斗(18)中进行熔浸浇注，当金属液完全渗入到颗粒充填物后炉体快速降温冷却。6、冷却脱模
与实施例1中的6相同，另外可采用将自凝耐火模具局部打碎或局部修复的方法进行脱模-修模的整体考虑。7、产品检查
与实施例1中7相同。
权利要求
1. 一种制备硬质合金/钢层合复合材料的颗粒熔浸铸造工艺，其特征在于所述工艺包括如下步骤1. 1模具准备包括型腔模和基体钢芯的设计和制造，所用模具的材料和加工方法根据被铸造部件的形状、硬质合金层厚度及钢芯的合金成分而定；型腔模和基体钢芯制好后，转入烘干和装配；1. 2颗粒充填将颗粒状的金属碳化物或硬质合金粒状物，充填到所需形状的型模腔与基体钢芯的夹层空间中，形成为具有特定外形、特定三维尺寸和堆积密度的颗粒堆积体；1.3模具预热及气体保护将充填好的模具，放入炉内预热、升温；1.4熔浸浇注将选定的具有浸润能力的金属液注入到夹层空间的颗粒堆积体中； 1. 5冷却脱模； 所述步骤1. 3,1. 4,1. 5均在队或Ar的保护下进行。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的金属碳化物颗粒为碳化钨、碳化钛、碳化钨-碳化钛固溶体，碳化硅、碳化硼、碳化铬、碳化钒、碳化锆、碳化钽、碳化铌、碳化铪颗粒状物；所述的硬质合金颗粒物为YG、YT类硬质合金颗粒物、粒径为0. 05飞mm，或相同粒径的硬质合金碎屑。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述金属液为铜或铜合金液、高锰钢液、 或超高强度钢液。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述步骤1.2中，充填物颗粒状的金属碳化物或硬质合金粒状物的相对密度为5(Γ75%。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述步骤1.3,1. 4,1. 5中，可以再通入体积分数为广5%、纯度为99. 69Γ99. 9%的工业普H2气体，进行活化性保护。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述模具采用石墨模或自凝耐火材料塑造模。
全文摘要
本发明属于硬质合金/钢层合复合材料的制备技术领域，特别是提供了一种用金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒，通过熔浸铸造的新工艺可制备出任何形状，任何厚度，并有基体钢芯强化的硬质合金/钢双层或多层层合复合材料工艺。具体包括(1)模具准备；(2)颗粒充填；(3)模具预热及气体保护；(4)熔浸浇注；(5)冷却脱模。本发明的工艺能够快速可靠的制成具有任何外形，而厚度不受任何限制的(硬质合金/钢)层合复合材料或部件。
文档编号B22D19/14GK102389962SQ20111037463
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者刘祥庆, 吴成义, 李艳军, 温芳, 石永亮, 辛延君, 郭志猛, 郭雷辰 申请人:北京科技大学