CN101848781B - 涉及硬质合金元件的铸件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合体，该复合体包含硬质合金和钢，所述钢具有的碳含量对应于小于0.9wt％但大于0.1wt％的碳当量Ceq＝wt％C+0.3(wt％Si+wt％P)。本发明还涉及制造所述复合体的方法。所述复合体特别适用于运土工具，例如挖掘机的挖掘头。
Description
技术领域
本发明涉及铸造到低碳钢中的硬质合金元件。所述元件特别适合用于牙轮钻头、冲击式岩石粉碎机臂/叶轮、尖击工具、挖掘齿和滑动磨损部件。
背景技术
US 4,119,459公开了一种具有硬质合金和石墨铸铁基合金基质的复合材料，所述石墨铸铁基合金基质具有2.5-6％的碳含量。US 4,584,020和US 5,066,546公开了所述钢基质应该具有1.5至2.5％的碳含量。US 4,608,318公开了一种在将所述金属压块固相烧结和粘结到所述压块过程中用于获得复合材料体的粉末冶金方法。US 6,171,713描述了白铁合金与硬质合金颗粒的复合材料。所述的熔点为1480-1525℃。WO 03/049889描述了固结的硬质材料、制造方法和应用领域。使用快速全向压制(ROC)或热等静压(HIP)，所述固结在低于所述粘结剂金属的液相线温度下发生。
现有技术中使用的可锻铸铁通常具有约38HRC的低硬度，和低合金钢铸件具有40至53HRC的硬度。因此，低合金钢的基质的强度将是现有技术的相当的铸铁产品强度的约两倍。
由以上引用的现有技术可知，优选将硬质合金铸造在具有相对高的碳含量的铁合金中以形成物体，随后将该物体铸造到具有较低碳含量的铁合金中，例如US 4,584,020和US 5,066,546。
发明内容
本发明的目的在于提供一种物体，该物体由铸造在钢中的硬质合金组成，其具有改善的耐磨性。
本发明的目的还在于提供一种用于制造所述物体的铸造方法。
现已发现，如果通过在铸造过程中采用非常好的受控温度进行铸造和通过使用具有接近石墨构型的碳内含物的硬质合金而将硬质合金铸造在具有低碳含量的钢中，可得到具有改善性能的产品。
附图说明
图1为在用Murakami和Nital侵蚀之后过渡区硬质合金/钢的光学显微照片。
图2是相同的，只是放大倍数更高。
图3展示W、Co、Fe和Cr沿垂直于所述过渡区的线的分布。
在所述附图中，
A-钢，
B-η相区，
C-在所述硬质合金中的过渡区，
D-未受影响的硬质合金，和
E-在所述钢中的碳富集区。
发明详述
根据本发明，现提供一种耐磨元件，其由铸造在低合金碳钢中的硬质合金体组成，其具有多种不同的构造和形状。
所述钢具有如下组成：该组成具有小于0.9wt％，优选小于0.8wt％，但超过0.1，优选超过0.5wt％的碳当量Ceq＝wt％C+0.3(wt％Si+wt％P)。优选所述钢由熔点为约1450-1550℃的Cr、Ni、Mo低合金钢材料构成。所述钢的硬度为45至55HRC。
本发明适用于具有Co和/或Ni粘结剂相的WC基硬质合金，其优选具有接近游离石墨构型的碳内含物，如果硬质合金具有钴粘结剂相，则意味着磁性钴内含物为标称钻内含物的0.9-1.0倍。所述硬质合金的硬度为800-1750HV3。可存在最高至5wt％的元素Ti、Cr、Nb、Ta、V的碳化物。
在第一个具体实施方案中，该具体实施方案旨在用于运土工具，例如挖掘机的挖掘头，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为10-25wt％的Co和/或Ni，其中WC具有0.5至7μm的晶粒大小。
在第二个具体实施方案中，该具体实施方案旨在特别用于岩石磨铣钻头铣刀，例如用于旋转钻探的齿型三牙轮钻头，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为在WC中9至15wt％的Co和/或Ni，所述WC具有2至10μm的晶粒大小。
在第三个具体实施方案中，该具体实施方案旨在特别用于岩石磨铣工具，例如尖击工具，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为5至9wt％的Co和/或Ni，其中WC具有2至15μm的晶粒大小。
在第四个具体实施方案中，该具体实施方案旨在特别用于粉碎机中的粉碎机臂或桨，例如矿石和油砂的粉碎机，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为在WC中10至25wt％的Co和/或Ni，所述WC具有2至10μm的晶粒大小。
在所述硬质合金与所述钢之间的过渡区展现出基本无空隙和裂缝的良好结合。然而，在所述钢与所述硬质合金之间的区中的少许裂缝将不会严重影响产品性能。
在所述过渡区中，存在厚度为50至200μm的薄的η相区(B)。在邻近于所述η相区的硬质合金中，存在宽度为0.5至2mm的含铁过渡区(C)。在邻近于所述η相区的钢中，存在宽度为10-100μm的具有富集碳内含物的区(E)。
根据所述铸造方法，将所述硬质合金件固定在模具中并将熔融的钢倾注到所述模具中。在所述倾注过程中，所述熔体的温度为1550至1650℃。优选所述硬质合金体通过使所述熔体穿过所述模具环绕所述硬质合金体而预热。冷却在自由空气中进行。在所述铸造之后，进行常规型热处理以使所述钢硬化和退火。
根据本发明的钢展现出对硬质合金的良好结合。该良好的结合起因于组合了具有低碳含量的钢类型和不具有脆性硬质相的钢，所述具有低碳含量的钢类型表现为所述硬质合金的外部的脱碳以在所述硬质合金内形成微观结构。所述薄的η相区不影响所铸造产品的脆性。为了展现出该结构，在所述铸造过程中，所述钢的熔融温度应比在所述硬质合金体的表面区中的硬质合金的粘结剂相的熔点略高。
具体实施方式
实施例1
通过常规粉末冶金技术制备硬质合金圆柱棒，其直径为22mm和长度为120mm，其组成为5wt％的Ni和10wt％的Co和其余为WC，所述WC具有4μm的晶粒大小。所述碳含量为5.2wt％和硬度为1140HV3。
将所述棒固定在用于制造适合VOSTA T4***以便在挖掘机的挖掘头中使用的挖掘机齿的模具中。将具有组成为0.26％的C、1.5％的Si、1.2％的Mn、1.4％的Cr、0.5％的Ni、0.2％的Mo、Ceq＝0.78的CNM85型钢熔融并在1570℃的温度下将该熔体倾注到所述模具中。所述硬质合金体通过使所述熔体穿过所述模具环绕所述硬质合金体而预热。在空气中冷却之后，使所述齿在950℃下热处理并在920℃下硬化。在250℃下退火是在研磨到最终形状之前的最后热处理步骤。
选择一个齿进行所述齿的过渡区硬质合金/钢的冶金学研究。通过切割、研磨和抛光制备所述齿的横截面。在光学显微镜LOM中检查所述过渡区硬质合金/钢。对未侵蚀的表面以及Murakami和Nital侵蚀的表面进行所述LOM研究，见图1和图2。在所述钢与所述硬质合金之间的结合是优异的，基本没有空隙和裂缝。在所述硬质合金与所述钢之间存在100μm厚的η相区B。在所述硬质合金中，在未受影响的硬质合金D之上存在厚度为1.5mm的含铁过渡区C。在所述钢中，存在50μm厚的碳富集区E。W、Co、Fe和Cr在过渡区上的分布还通过显微探针分析来检查。发现过渡区C基本由在Fe粘结剂相中的WC组成，见图3。
实施例2
用两种硬质合金等级的物体重复实施例1。一个等级具有的组成为15wt％的Co，其余为WC，所述WC具有3μm的晶粒大小，磁性Co含量为14wt％和硬度为1070HV3。另一等级具有的组成为10wt％的Co，其余为WC，所述WC具有4μm的晶粒大小、磁性Co含量为9.6wt％和硬度为1175HV3。在这种情况下，硬质合金体为外径为18mm的圆柱状凿形钮状物。
在铸造之前，以能够得到圆锥形刀具的方式将所述钮状物固定在合适模具中。将具有较低Co含量的钮状物固定在牙轮外半径中和内部上端位置具有的钮状物具有较高的Co含量。在热处理和研磨之后，向牙轮提供用于轴承的孔。成品刀具以与实施例1相同的方式进行检查，得到基本相同的结果。
实施例3
用如下等级重复实施例1，所述等级具有的组成为20wt％的Co，其余为WC，所述WC具有2μm的晶粒大小。磁性Co含量为18.4wt％和硬度为900HV3。
Claims (13)
1.包含硬质合金和钢的复合体，其特征在于所述钢具有的碳含量对应于小于0.9wt％但大于0.1wt％的碳当量Ceq＝wt％C+0.3(wt％Si+wt％P)，在所述硬质合金和所述钢之间的过渡区具有厚度为50至200μm的薄的η相区B，邻近于所述η相区的硬质合金的含铁过渡区C具有0.5-2mm的宽度，和邻近于所述η相区的钢具有富集碳内含物的区E具有10-100μm的宽度。
2.权利要求1所述的复合体，其特征在于所述碳当量Ceq小于0.8wt％。
3.权利要求1-2中任一项所述的复合体，其特征在于所述碳当量Ceq大于0.5wt％。
4.权利要求1所述的复合体，其特征在于所述硬质合金具有钴粘结剂相，且其具有的磁性钴内含物为标称钴内含物的0.9-1.0倍。
5.权利要求1所述的复合体，其特征在于该复合体旨在用于运土工具，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为10-20wt％的Co和/或Ni，其中WC具有0.5至7μm的晶粒大小。
6.权利要求1所述的复合体，其特征在于该复合体旨在用于岩石磨铣钻头铣刀，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为在WC中的9至15wt％的Co和/或Ni，所述WC具有2至10μm的晶粒大小。
7.权利要求1所述的复合体，其特征在于该复合体旨在用于岩石磨铣工具，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为5至9wt％的Co和/或Ni，其中WC具有2至15μm的晶粒大小。
8.权利要求1所述的复合体，其特征在于该复合体旨在用于粉碎机中的粉碎机臂或桨，所述硬质合金具有的粘结剂相内含物为在WC中的10至25wt％的Co和/或Ni，所述WC具有2至10μm的晶粒大小。
9.用于制造复合体的铸造方法，该方法包括将硬质合金部件固定在模具中并将熔融的钢倾注到所述模具中，所述钢具有的碳含量对应于小于0.9wt％但大于0.1wt％的碳当量Ceq＝wt％C+0.3(wt％Si+wt％P)，其特征在于在所述倾注过程中熔体的温度为1550至1650℃。
10.权利要求9所述的方法，其特征在于所述碳当量Ceq小于0.8wt％。
11.权利要求9-10中任一项所述的方法，其特征在于所述碳当量Ceq大于0.5wt％。
12.权利要求9所述的方法，其特征在于所述硬质合金具有钴粘结剂相，且其具有的磁性钴内含物为标称钴内含物的0.9-1.0倍。
13.权利要求9所述的方法，其特征在于在所述铸造之后进行热处理以使所述钢硬化和退火。
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